DE3013823A1

DE3013823A1 - Gerichteter frontprojektionsbildschirm

Info

Publication number: DE3013823A1
Application number: DE19803013823
Authority: DE
Inventors: Sanford Cobb; Terrence M Conder; Dennis F Vanderwerf
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1980-04-10
Publication date: 1980-10-30
Also published as: GB2048514A; JPS5616120A; US4206969A; SG85484G; HK11285A; FR2454117A1; GB2048514B; FR2454117B1

Description

Gerichteter Frontprojektionsbildschirm

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frontprojektionsschirm mit Richtwirkung.

Ein Frontprojektionsschirm nimmt ein Projektionsbild aus einer Linse auf und lenkt es auf einzelne Betrachtungszonen um, die gemeinsam einen größeren Betrachtungsbereich bilden.

Frühe Frontprojektionsschirme hatten die Form einer opaken Lambertschen Weißfläche, die das Projektionsbild auf eine breitere Sichtfläche warf. Helle Bildteile wurden von der weißen Oberfläche zu den Betrachtern geworfen, während die dunkleren Bildteile durch das Fehlen von Raumlicht entstanden. Folglich hing der Bildkontrast vom Reflexionsvermögen des Schirmes und der ümlichtstärke im Betrachtungsraum ab. Obgleich man mit dieser Art eines Bildschirms eine gleichmäßige Helligkeit erreichen kann, wirft er Licht auch aus dem normalen Betrachtungsbereich hinaus und hat daher einen geringen Wirkungsgrad.

Später hat man kleine Glasperlen auf der weißen Oberfläche vorgesehen, die das Reflexionsvermögen der Oberfläche im nutzbaren Betrachtungsbereich erhöhten. Diese Zunahme des Reflexionswirkungsgrads wird als "Gewinn ("gain") des Bildschirms bezeichnet. Obgleich die Perlenoberfläche eine verbesserte optische Leistungsfähigkeit erbrachte, verschlech-

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terten sich die optischen Eigenschaften des Materials mit der Zeit und das Material war leicht zu beschädigen.

Die nächste Entwicklung war der Silberlinsenbildschirm, dessen reflektierende versilberte Oberfläche gewellt war, um das Betrachtungsfeld in der Waagerechten zu verbreitern, indem man die Richtung des reflektierten Lichtes in der waagerechten Ebene steuerte; auf diese Weise ließ sich der Bildkontrast bei starkem Umlicht verbessern. Der Gewinn des Silberlinsenschirms war geringer als der von perlierten Oberflächen; sein Vorteil lag aber in einer besseren Dauerhaftigkeit. Dieser Bildschirm erbrachte jedoch keine gleichmäßige Helligkeit.

Der Frontprojektionsschirm nach der vorliegenden Erfindung weist eine druchschneinende Schicht auf oder in einer Bahn bzw. einem Schirm auf, die bzw. der lichtstreuende Teilchen enthält.

Die vordere bzw. erste Oberfläche des Bildschirms ist mattiert, um die spiegelnde Reflexion zu schwächen.

Die zweite Oberfläche des Bildschirms ist als Stufenreflektor ("incremental reflector") ausgestaltet.

In einer Ausführungsform sind die den Reflektor bildenden Facetten so orientiert, daß sie ein Bild auf eine kleine Zuschauermenge richten, die sich in einem schmalen Betrachtungsbereich befindet.

In einer alternativen Ausführungsform sind die den Reflektor bildenden Facetten so gerichtet, daß sie ein Bild auf eine

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verhältnismäßig große Zuschauermenge richten, die einen breiten Betrachtungsbereich füllt, der sich aus einer Anzahl von Betrachtungszonen zusammensetzt.

In dieser alternativen Ausführungsform sind die Facetten zu Gruppen angeordnet. Jede Gruppe besteht aus einer vorgeschriebenen Anzahl nebeneinanderliegender Facetten. Jede Facette innerhalb einer Gruppe ist dabei so orientiert, daß sie Licht in eine andere Zone innerhalb des Gesamtsichtbereichs richtet.

Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung des Projektionsschirms nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführrungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt als Schnitt den Aufbau der vorliegenden Erfindung. Der Bildschirm 1 ist gebildet aus einer Materialbahn, die eine durchscheinende Schicht 2 aufweist, die eine große Anzahl lichtstreuender Teilchen enthält; diese Schicht kann sich in der Bahn befinden oder auf sie aufgetragen sein. Die erste Oberfläche 3 der Bahn ist mattiert, um die spiegelnde Reflexion an ihr zu schwächen. Die Oberfläche kann zur Mattierung geprägt oder beschichtet sein.

Die zweite bzw. hintere Oberfläche 4 ist als linearer spiegelnder Stufenreflektor ausgestaltet. Die Facetten 5 dieser gestuften Oberfläche sind durch Anstiegskanten 6 voneinander getrennt. Die hintere Oberfläche 4 des Bahnmaterials ist mit einem reflektierenden Material 7 wie beispielsweise Alu-

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minium beschichtet, um eine spiegelnd reflektierende Oberfläche zu erreichen. Die Facetten sind unter einem Winkel Θ_Ν geneigt, der bezüglich einer Basislinie 8, die parallel zur Vorderfläche 3 der Bahn verläuft, unterschiedlich ist.

Zum Entwurf berechnet man den für jede Facette gewünschten Winkel Θ_Ν aus dem geometrischen Strahlverlauf und vernachlässigt dabei die Auswirkung der streuenden Teilchen. Nachdem die Bildschirmgeometrie festgelegt worden ist, bezieht man den Effekt des streuenden Materials wieder ein, indem man jedem Strahl 10 am Austrittspunkt aus der ersten Oberfläche des Bildschirms eine diffuse Streukeule 9 überlagert.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform wird benutzt, wenn das aus einer Quelle 20 projizierte Bild von einer kleinen Anzahl Betrachter in einem schmalen Bereich 21 betrachtet werden soll.

In diesem Fall wählt man den Winkel 9jj jeder Facette so, daß sie das Licht in den gewünschten Betrachtungsbereich 21 wirft.

Beispielsweise werden die auf die Facetten 25, 26, 27 an verschiedenen Orten auf dem Bildschirm 28 fallenden Strahlen 22, 23, 24 in den Betrachtungsbereich 21 geworfen, wenn man für jede Facette einen geeigneten Winkel θ wählt.

In dieser Ausführungsform bestimmt der mit den Keulen 29, 33, 34 dargestellte Streueffekt des streuenden Materials der Bahn 28 die Größe des Betrachtungsbereichs 21.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform wird eingesetzt, wenn das von der Quelle 30 projizierte Bild von einer größeren Anzahl Betrachter gesehen werden soll, die über den Betrachtungs-

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bereich verteilt sind. Dabei bestimmt jeder Betrachter A, B, C, D eine für die Entwurfsberechnungen gewählte Betrachtungszone; die Betrachtungszonen gemeinsam bestimmen den nutzbaren Betrachtungsbereich.

Bei einer typischen Fernsehprojektion verlaufen die Stufenfacetten vertikal über den Bildschirm. Der Bildschirm selbst kann in der Vertikalen leicht gekrümmt sein, um mehr Licht zum Betrachter zu werfen; die waagerechte Lichtverteilung wird jedoch von den Facetten bestimmt. Diese einfache eindimensionale Krümmung ist ein Vorteil gegenüber komplizierteren, mehrdimensional gekrümmten Bildschirmen.

Die Facetten des Bildschirms 31 sind in dieser Ausführungsform zu Gruppen zusammengefaßt. Jede Gruppe 32 weist beispielsweise eine vorbestimmte Anzahl Facetten 32A, 32B, 32C, 32D auf. Jede Facette ist unter einem Winkel ©_N so geneigt, daß sie einen Teil des Bildes in eine bestimmte Betrachtungszone richtet. Beispielsweise verläuft die Facette 32A der Gruppe unter einem Winkel 6 derart, daß sie einen einfallenden Strahl in den Betrachtungsbereich A wirft. Entsprechend richten auch die Facetten 33A, 34A die einfallenden Strahlen 36, 37 in die Zone A. Auf diese Weise wirken die in den verschiedenen Gruppen über den Bildschirm verteilten einzelnen Facetten zusammen, um selektiv Licht zu bestimmten Betrachtungsorten zu werfen.

Der Effekt des Streumaterials im Bildschirm 31 ist, die Betrachtungszonen zu einem angenähert gleichmäßig ausgeleuchteten Betrachtungsbereich derart zusammenzufassen, daß der Bildschirm für alle Betrachter im Betrachtungsbereich gleich hell erscheint. Die Breite der Facetten hängt von der Verwendung des Bildschirms ab. Im allgemeinen sind sie zu schmal, um vom

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Betrachter noch aufgelöst werden zu können.Dieses Merkmal steht im Gegensatz zu den Lambertschen Schirmen des Standes der Technik, bei denen die Schirmhelligkeit mit der Entfernung aus der Hauptachse des Bildschirms schnell abnimmt.

Die Form der Streukeulen 38, 39, 40 zeigt die Winkelverteilung des Lichts bzw. der Helligkeit um einen gewählten Strahl herum. Die Gestalt dieser Keule bestimmt sich aus der Konzentration und der Art des Streumaterials im Bildschirm 31.

Das folgende Beispiel gibt eine zweckmäßige Zusammensetzung für einen Bildschirm nach der vorliegenden Erfindung an.

Beispiel

Eine Masse aus 95 Gew.-% halbhartem Callulosea^cetatbutyrat-Polymerisat und 5 Gew.-% lamellaren Mikroform-Quarzteilchen wurde auf einem 19,1 mm(0,75 in.}-Extruder der Fa. C.W. Brabender Instruments, Inc., Hackensack, N.J.,V. St. A., zu einer 25 μΐη (0,010 in.), einer 38 um (0,015 in.) und einer 51 am (0,020 in.) dicken Folie unter folgenden Temperaturbedingungen ausgepreßt:

Zone 1 bei 180⁰C, Zone 2 bei 195⁰C, Zone 3 bei 210⁰C, Zone 4 bei 200⁰C, Düse bei 200⁰C.

Jede Folie wurde auf einer Seite mit einem galvanoplastisch mit einer speziell konstruierten Fresnellinse versehenen Nikkeistempel wärmegeprägt, die andere Seite mit einer eine Mattierungsstruktur enthaltenden Chromstahl-Stützplatte.

Dabei erfolgte das Druckformen in einer dampfbeheizten und wassergekühlten hydraulischen Presse (Modell 12-12-ST der

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Fa. Wabash Metal Products Company, Hydraulic Division, Wabash, Ind., V. St. A.) bei einer Maximaltemperatür von 143°C (29O⁰F), einem Druck von 1,38 MPa (200 psi) und einer Zyklusdauer von etwa 5 Minuten. Die Schichtung wurde auf 60⁰C (140⁰F) abgekühlt, aus der Presse herausgenommen und vom Stempel und der Stützplatte entfernt. Die genutete Oberfläche wurde zu bis 1.000 A mit Aluminium bedampft. Auf die Rückseite kann ein Klebstoff aufgetragen werden, um den Bildschirm mechanisch auf einer Unterlage festzulegen.

Die Leuchtdichte und der Bildkontrast des Bildschirms wurden nach der Prüfnorm ANSI/NMA MS-12 ermittelt und mit einem metallackierten Bildschirm verglichen; der Projektor war ein Modell Valiant der Fa. Realist.

	Mitte	Leuchtdichte	18	18	Kontrast
	200		26	31	47
25 um	139	Mittelwert) Mittelwert Ecken) oben unten	43	44	36
38 um	91	53	8	25	42
51 um	43	61		19
Lack	73
	33

*) Prozentsatz des Mitte-Werts in ft.Lambert (1 ft.L = 10,8 asb)

Diese Ergebnisse stehen in scharfem Gegensatz zu den herkömmlichen Bildschirmen des Standes der Technik, bei denen die Bildhelligkeit mit zunehmender Entfernung aus der Hauptoder Projektionsachse schnell abnimmt.

Mit zunehmender Dicke bzw. Menge der Kie.selerde nimmt die Mittenhelligkeit ab, aber der Bildschirm wird gleichmäßiger

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ausgeleuchtet. Der Bildschirmkontrast des Fresnel-Streulinsenschirms ist für sämtliche Schichtdicken etwa doppelt so hoch wie bei einem herkömmlichen Lackbildschirm.

Es wird weiterhin darauf verwiesen, daß die Fresnellinse so entworfen ist, daß die durchschnittlichen Leichtdichtewerte für den Bildschirmober- und -unterrand gleichmäßiger werden, während bei einem Lackschirm die Leuchtdichte am Oberrand nur ein Drittel der des Unterrandes beträgt. Die Fresnellinse lenkt also den größten Teil des reflektierten Lichts zur Betrachtung außerhalb der Hauptachse um.

Um die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung weiter zu verbessern, kann man in beiden Ausführungsformen den Bildschirm leicht krümmen, um die Lichtverteilung in der nicht durch die Stufenflächen beeinflußten Ebene zu steuern.

Für jeden einzelnen Betrachter im Betrachtungsbereich erscheint der Bildschirm daher in der Waagerechten wie auch in der Senkrechten gleichmäßig hell.

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Claims

MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING COMPANY,

3M Center, Saint Paul, Minnesota 55133, V. St. A.

Patentansprüche

iy Frontprojektionsschirm mit einer Materialbahn mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn auf der ersten Hauptfläche mattiert ist, um die spiegelnde Reflexion an ihr zu schwächen, und daß die zweite Hauptfläche als spiegelnd reflektierender Stufenreflektor ausgestaltet ist, der reflektiertes Licht in mindestens eine Betrachtungszone richtet.
2. Bildschirm nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Stufenreflektor eine lineare Gruppenanordnung aus schrägen Facetten aufweist, die Licht in mindestens einen Betrachtungsbereich richten.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Bildschirm nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet/ daß die Facetten so geneigt sind, daß sie projeziertes Licht in eine einzige Betrachtungszone lenken.
4. Bildschirm nach Anspruch 2, weiterhin gekennzeichnet dadurch , daß die Facetten zu einer Vielzahl von Gruppen zusammengefaßt sind, die jeweils eine definierte Anzahl nebeneinanderliegender Facetten enthalten, wobei jede Facette innerhalb einer Gruppe Licht in eine bestimmte Betrachtungszone
wirft, um gemeinsam mit der Streuschicht eine gewünschte
Lichtverteilung zu erreichen.
5. Bildschirm nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin gekennzeichnet durch einen Klebstoff auf der Rückseite, um den Bildschirm auf einer Unterlage festzulegen.

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