-
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Projektionsschirme. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf Rückprojektionsschirme zur Verwendung in einem
Projektionsfernsehwiedergabeanordnung (PTV), und speziell auf einen
Rückprojektionsschirm mit einer Vorderseite und einer Rückseite zum Projizieren eines Bildes aus
einer Bildquelle an der Rückseite des Schirms auf die Vorderseite, wobei dieser Schirm
eine Feldlinse zum Fokussieren von Licht aus der Bildquelle über ein Mittel und eine
Schirmbasis enthält.
-
Typische Projektionsfernsehwiedergabeanordnungen enthalten Mittel zum
Umsetzen eines Fernseh- oder Videosignals in ein optisches Bild. Das optische Bild
wird auf einen Schirm zum Beobachten durch einen Zuschauer projiziert. Bei einem
verhältnismäßig geringen Projektionsabstand, wie in
Kompakt-Projektionsfernsehsystemen, reichen die Anordnungen nach dem Stand der Technik nicht aus, wie weiter unten
näher erläutert wird.
-
Einige Anordnungen nach dem Stand der Technik besitzen einen
innenwohnenden niedrigeren optischen Übertragungsleistungsgrad nahe bei den äußeren
Rändern des Schirms oder Eckenbeleuchtungsprobleme, die sich in einen hellen Fleck in
der Mitte auswirken. Ein Beispiel eines derartigen Schirms ist in GB-A 2 072 376
beschrieben. Übertragungswirkungsgrad in einem vorgegebenen Gebiet des Schirms
kann mit dem Verhältnis der Gesamtlichtmenge, die durch diesen Bereich des Schirms
geht, zur Gesamtmenge des in diesem Bereich empfangenen einfallenden Lichts definiert
werden. Weitere Anordnungen nach dem Stand der Technik verkörpern Verbesserungen
der Qualität des Systems durch Unterdrücken des Effekts des hellen Flecks. Siehe
beispielsweise den Artikel "Ultra Wide Viewing Angle Rear Projection Television
Screen" von R. Bradley et al.,in IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol.
25 CE-31, Nr. 3, S. 185 . . . 192 (1985), in dem ein Projektionsschirm mit einer Fresnel-
Linse beschrieben wird, die als kollimierende Feldlinse arbeitet. Wo dieser Schirm
Eckbeleuchtungsprobleme beseitigt haben kann, sind der Gesamtwirkungsgrad des
Schirms und der Kontrast durch das Vorhandensein der sog. Steigflächen der Fresnel-
Linse reduziert, insbesondere diese Steigflächen an den Rändern der Fresnel-Struktur.
Zusätzlich unerwünschte Artefakte, wie z. B. Moir -Störmuster, sind dabei für den
Zuschauer sichtbar.
-
Die Moir -Effekte und der Lichtverlust an den Rändern des Schirms
können durch Verwendung einer doppelten Fresnel-Linsenstruktur reduziert werden, wie
in der Kurzfassung der japanischen Patentanmeldung JP-A/61-90149 beschrieben wurde.
Der Schirm dieser Patentanmeldung enthält eine Vorderplatte mit einer lichtstreuenden
Linsenfläche und einer Fresnel-Rückplatte, die beide an ihrer Vorderseite und an ihrer
Rückseite eine Fresnel-Struktur enthalten. Im Schirm nach JP-A/61-90149 muß das
Bildlicht zwei zusätzliche Flächen durchqueren, so daß dieser Schirm zusätzliche
Übertragungsverluste des Bildlichts erleidet.
-
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
leistungsfähigen Projektionsschirm ohne Eckbeleuchtungsmängel zu schaffen.
-
Dieser Erfindung liegt weiter noch die Aufgabe zugrunde, einen
Projektionsschirm mit verbessertem Gesamtwirkungsgrad und Gesamtkontrast zu schaffen.
-
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist das Schaffen eines
Projektionsschirms, der ein artefaktfreies Bild wiedergibt.
-
Weiter ist es die Aufgabe dieser Erfindung, einen Projektionsschirm zu
schaffen, der alle vorgenannten Zielsetzungen in einem einfachen Ausführungsbeispiel
bewerkstelligt.
-
Vorgenannte und weitere Aufgaben der Erfindung werden in einem
Projektionsschirm nach Anspruch 1 verwirklicht. Es wird ein einteiliger
Projektionsschirm gebildet, der die optische Energie der Feldlinse des Schirms zwischen mehr als
einer Fläche aufteilt, wobei jede Oberfläche vorzugsweise eine Fresnel-Linsenstruktur
besitzt. Der Brechungsindex des Werkstoffs zwischen den Oberflächen (zwei im
bevorzugten Ausführungsbeispiel) ist abweichend von dem der Medien stromaufwärts
der ersten Oberfläche oder stromabwärts der zweiten Oberfläche.
-
Vorgenannte und weitere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung
werden nachstehend anhand der Zeichnung und der Beschreibung und in der
Kombination von beiden näher erläutert. Es zeigen (nicht maßstabgerecht):
-
Fig. 1 einen horizontalen Querschnitt durch einen einteiligen
Projektionsschirm mit einer einzigen Fresnel-Linse,
-
Fig. 2 einen horizontalen Querschnitt durch einen zweiteiligen
Projektionsschirm,
-
Fig. 3 einen horizontal Querschnitt durch das bevorzugte
Ausführungsbeispiel des einteiligen Projektionsschirms nach der Erfindung,
-
Fig. 4 eine Geometrie für die Feldlinse des Projektionsschirms in Fig. 3,
-
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Fig. 4.
-
In Fig. 1 ist ein Projektionsschirm 100 dargestellt, der beispielsweise in
einem Projektionsfernsehsystem (PTV) verwendbar ist. Die Rückseite des Schirms 100
ist zur Bildung einer Feldlinse ausgebildet, die eine kurze Brennweite haben kann, die
der Diagonalabmessung des Schirms vergleichbar ist, und für Projektionsschirme nach
ihrer Verwendung in kompakten PTV-Systemen typisch ist. Das darzustellende Bild
enthaltendes Licht fließt aus einer Projektionslinse oder eine Bildquelle 101. Die
Lichtstrahlen aus der Quelle 101 werden durch die Feldlinse an der Rückseite 102 des
Schirms in parallele Strahlen umgesetzt, wobei dieser Schirm mit einer Fresnel-
Linsenstruktur mit Facetten 103 versehen ist, die die Facettenflächen 104 und die
Steigflächen 106 enthalten. Der Schirm 100 kann zusätzlich eine Schirmbasis 115 mit
einem Diffusor 108 mit Diffusorelementen 110, die die Lichtstreuung in der vertikalen
Richtung bis zu einem Winkel beispielsweise von 11º steuern, und eine Linsengruppe
112 mit den Linsen 114 enthalten, die leistungsfähige Weitwinkelsicht ermöglicht
-
(beispielsweise einen horizontalen Winkel von 1700). Die Facetten 103 brechen das
Licht aus der Quelle 110 zur Bildung der parallelen oder kollimierten Strahlen, die auf
den Diffusor und die Linsen einfallen.
-
Wo die Facettenflächen 104 zunächst für die Brechung in der
Fresnellinsenstruktur verantwortlich sind, bewirken die Steigflächen 106 zunächst einen Verlust
des Übertragungswirkungsgrads des Schirms 100, weil auf diese Flächen einfallendes
Licht abgelenkt wird oder verloren geht. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die am Umfang
der Fresnel-Linsenstruktur befindlichen Facetten 103 größere Steigflächen haben als die
Facetten 103 näher bei der Mitte. Dies ist eine notwendige Begrenzung, da die
erforderliche Brechungsmenge zum Umsetzen von Zerstreuungsstrahlen aus einer kleinen
Lichtquelle in parallele Strahlen an einer vorgegebenen Stelle auf der Fresnel-Linse
direkt proportional dem Abstand von der Mitte der Linse nach den vorgegebenen Stellen
ist.
-
Da die Steigflächen 106 größer sind in der Nähe der Ränder der Fresnel-
Linsenstruktur, wird ein größerer Teil des Lichts fehlgerichtet, wodurch sich eine
verringerte Leuchtdichte in der Nähe der Ränder ergibt, die der Linse einen Effekt des
hellen Flecks nahe bei der Mitte erteilt.
-
Der Projektionsschirm 200 in Fig. 2 beseitigt die
Randleuchtdichtereduktionsprobleme des Projektionsschirms 100 in Fig. 1 durch eine Trennung seiner
Feldlinse 202, die eine Fresnel-Linsenstruktur 204 enthält, vom Rest des Schirms. Die
Fresnel-Linsenstruktur 204 setzt die Strahlen aus der Lichtquelle in parallele Strahlen
wie bei der Fresnel-Linsenstruktur an der Rückseite 102 des Schirms nach Fig. 1 um.
Jedoch wird das Einfallen von fehlgerichtetem Licht weitgehend reduziert, so daß in der
Mitte kein heller Fleck erscheint. Zwei der mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2
verknüpfte Mängel und daher die Nachteile sind eine ungefähre 16%ige Verringerung
des Übertragungswirkungsgrades des Schirms, da das Licht zwei zusätzliche Flächen
durchqueren muß, und die Einführung störender Artefakte, wie Moir -Störmuster im
projizierten Bild. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Projektionsschirms ist
in Fig. 3 dargestellt.
-
Der Projektionsschirm 300 reduziert stark das mit dem Schirm 100 nach
Fig. 1 verknüpfte Randleuchtdichteabfallproblem, indem der mit dem Schirm 200 nach
Fig. 2 verknüpfte große Verlustmangel des Übertragungswirkungsgrades und die Anzahl
störender Artefakte vermieden werden. Der Schirm 300 enthält eine Feldlinse 308, die
zwei Fresnel-Linsenflächen 302 und 310 enthält. Die Feldlinse 308 ist mit ihren
Vorderflächen 310 an die Rückseite der Schirmbasis 315 angeschlossen. Die Rückseite
der Schirmbasis hat eine Fläche, die in die Fläche 310 der Feldlinse 308 greift. Die
Rück- und Vorderflächen 302 und 310 der Feldlinse 308 werden durch einen Bereich
309 getrennt, der mit einem Medium mit einem Brechungsindex (n&sub1;) abweichend von
dem der Schirmbasis 315 (n&sub2;) oder vom einfallenden Medium 301(n) gefüllt ist. Der
Bereich 309 ist beispielsweise mit ultravioletthärtendem Polymer mit einem
Brechungsindex n&sub1; von etwa 1,59 gefüllt. Die Schirmbasis 315 kann aus Polymethylmethakrylat-
Material (PMMA) mit n&sub2; etwa gleich 1,49 sein.
-
Die zweite Fresnel-Linsenfläche 310 bewirkt die Teilung der
erforderlichen optischen Leistung der Feldlinse 308 zwischen den zwei Fresnel-Linsenflächen 302
und 310. Also sind die Steigflächen 306 kleiner als entsprechende Steigflächen 106 nach
Fig. 1, wodurch sich weniger fehlgerichtetes Licht ergibt.
-
Die Facettenwinkel der zwei Fresnel-Linsenflächen 302 und 310 läßt sich
wie folgt anhand der Fig. 4 und 5 berechnen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die optische Leistung der Feldlinse 308 gleichermaßen über die Flächen 302 und 310
verteilt, und der Abstand über den Bereich 309 zwischen den Flächen 302 und 310 ist
klein und wird in der folgenden Berechnung ausgelassen. Daher ist die optische
Leistung jeder Fläche 1/(2f), worin f die Brennweite der Feldlinse 308 ist. Der
Facettenwinkel u einer Facette auf der Fläche 302 wird durch folgende Gleichung
gegeben
-
worin
-
worin h der Abstand von der optischen Mitte der Feldlinse 308 zur Facette und n&sub1; der
Brechungsindex des Bereichs 309 sind. Ein einfallender Strahl auf der Facettenfläche
304 bildet einen Winkel R&sub1; mit der Normale derart, daß
-
Der Winkel R&sub1;' des gebrochenen Strahls wird unter Einsatz des
Snellschen Gesetzes gefunden, wobei davon ausgegangen wird, daß der Brechungsindex n
des einfallenden Mediums 301 gleich 1 ist.
-
Der Winkel R&sub2; des gebrochenen Strahls beim Messen in bezug auf die
optische Achse ist durch folgende Gleichung gegeben
-
R&sub2; = R&sub1;'-ξ (4).
-
Der Winkel dieses Strahls in bezug auf die Normale der Facettenfläche
312 ist
-
ω = β-R&sub2;' (5)
-
worin der Facettenwinkel β der erforderliche Winkel zum Kollimieren des Strahls ist.
Das Snellsche Gesetz sagt den Brechungswinkel ω' mit folgender Gleichung voraus
-
worin n&sub2; der Brechungsindex des Bereichs 316 der Schirmbasis 315 ist. Zum
Kollimieren des Strahls nach der Brechung muß ω'-β gleich Null sein. Daher ergibt sich
folgende Gleichung
-
Der Facettenwinkel β der Facettenfläche 312 wird durch eine Neuordnung der
Gleichung (7) berechnet, also ergibt sich folgende Gleichung
-
Unter Einsatz der obigen Gleichungen und der erforderlichen Daten lassen
sich die Facettenwinkel für einen einteiligen Projektionsschirm mit einer eingebetteten
zweiseitigen Fresnel-Linse als Feldlinse leicht berechnen. Beispielsweise wenn die
Brennweite der Feldlinse 99 cm (39 Zoll) beträgt, ist die Diagonale des Schirms 94 cm
(37 Zoll), der Höchstabstand von der optischen Mitte zur Facette beträgt 47 cm und n&sub1;
und n&sub2; sind 1,59 (für Polystyren) bzw. 1,49 (für PMMA), die Facettenfläche 304 hat
dabei einen Winkel α von etwa 20º und eine Facettenfläche 312 hat dabei einen Winkel
β von etwa 62º.
-
Nur etwa die Hälfte der Lichtstrahlen, die auf der äußersten Steigfläche
106 des Projektionsschirms 100 nach Fig. 1 einfallen, erreichen die entsprechende
Steigfläche 306 des Projektionsschirms 300, wodurch also die Probleme der
Außenrandbeleuchtung weitgehend durch den erfindungsgemäßen Schirm reduziert werden.
-
In bezug auf den Schirm 200 nach Fig. 2 wird die Anzahl der vom Licht
zu übertragenden Flächen auf eins reduziert. Da der Unterschied der Brechungsindizes
des Feldlinsenmaterials und des Schirmbasismaterials gemäßigt ist, wird die verlorene
Lichtmenge durch Reflexion an dieser Fläche in bezug auf die Lichtverlustmenge an den
Flächen zwischen der Feldlinse 202 und der Schirmbasis 206 des Schirms 200 nach Fig.
2 stark reduziert. Der Übertragungswirkungsgrad des erfindungsgemäßen Schirms
überschreitet den des Schirms nach Fig. 2 um etwa 8%.
-
Mehrere Abwandlungen der vorbeschriebenen Erfindung werden dem
Fachmann bekannt sein und fallen daher im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise
braucht der Projektionsschirm nach der Erfindung nicht auf die Verwendung in einem
Projektionsfernsehsystem beschränkt zu werden, sondern sind in anderen Projektions-
Systemen verwendbar. Auch die optische Leistung der Feldlinse braucht nicht
gleichermaßen zwischen den zwei Flächen verteilt zu werden, und kann zwischen mehr als zwei
Flächen in jedem gewünschten Verhältnis verteilt werden. Zusätzlich braucht die
optische Leistung der Feldlinse nicht zum Kollimieren der Strahlen aus der
Projektionslinse gewählt zu werden, sondern könnte das Licht aus der Bildquelle in einen weniger
streuenden Strahl oder in einen konvergierenden Strahl umgesetzt werden.
-
Die Zusammensetzung der Fresnel-Linse beschränkt sich nicht auf ein
spezielles Material und vor der Verwendung rotationssymmetrischer Fresnel-Linsen
kann bei dieser Erfindung eine Feldlinse bevorzugt werden, die zylindrische oder
lineare Fresnel-Linsen enthält. Derartige Fresnel-Linsen beseitigen oder reduzieren stark
die Moir -Störmuster im projizierten Bild. Auch ist diese Erfindung sogar einsetzbar,
wenn die optische Mitte der Fresnel-Linse von der optischen Achse der
Projektionsfernsehwiedergabeanordnung in vertikaler Richtung verschoben ist.