透射式屏幕的制作方法

专利名称：透射式屏幕的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种透射式屏幕。本发明尤其涉及一种具有平面排列的多个单透镜的透射式屏幕。
背景技术：
一直以来，在具有多个单透镜的透射式屏幕中，将单透镜沿纵向及横向以一定间距排列的透镜阵列已经公知(例如，参照专利文献1。)。在上述文献中记载了纵向间距和横向间距互不相同。另外，还提出了一种通过将垂直于光轴的方向上的单透镜的边界形状形成菱形从而扩大水平及垂直方向的视野角度的透镜阵列(例如，参照专利文献2)。
专利文献1日本专利特开昭63-259631号公报，第3图专利文献2日本专利特开2000-131506号公报但是，为了使观看者看到的整个显示器的亮度保持在一定水平以上，必须使从屏幕的各部分射出的图像光散射。尤其是随着显示器的大型化，在显示器周边部分的观看者的观看角度(观看者相对屏幕的视线与屏幕的法线所成的角度)变大，因此要求对屏幕赋予充分的散射性能。可是，如果过度提高屏幕的散射性，则会使屏幕的正面亮度降低。因此，存在必须将适当反映观看者对屏幕的观看条件的散射性能赋予屏幕这样的问题。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于解决上述问题的透射式屏幕。该目的通过本发明的第一方面所述的技术特征的组合来达成。并且，其他方面规定了更有利于本发明的具体例子。
为解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供一种透射式屏幕，其具有平面排列的多个单透镜，外形为长方形，且具有以下特征。即，单透镜彼此间相邻的透镜边界呈与透射式屏幕的外形相似的长方形，并且，在将透射式屏幕的长方形的短边朝向铅直方向使用的状态下，当从单透镜的透镜面入射与单透镜的光轴方向平行的图像光时，从单透镜射出的图像光的散射角度，在透射式屏幕所呈的长方形的对角方向上比在水平方向及垂直方向上大。由此，可对观看者提供透射式屏幕的拐角处没有变暗的图像。
在上述透射式屏幕中，单透镜的曲率也可以在以光轴为中心的旋转方向上不变。此时，单透镜的透镜设计及生产容易。
在上述透射型透镜中，在将透射式屏幕的长方形的短边朝向铅直方向使用的状态下，当从单透镜的透镜面入射与单透镜的光轴方向平行的图像光时，从单透镜射出的图像光的散射角度在水平方向上也可以比在垂直方向上大。由此，水平方向的视野角大于垂直方向的视野角，作为透射式屏幕可得到良好的视野角特性。
此外，上述发明的概要并没有列举本发明的全部必要特征，这些特征的其他组合也属于本发明。


图1是表示根据本发明一实施例的背投影显示器800的构成的图；图2是表示屏幕500的构成的剖视图；图3是表示复眼透镜100的外形和单透镜10的边界形状的俯视图；图4是表示单透镜10的外形的立体图；图5表示单透镜10的垂直方向、水平方向及对角线方向上的各图像光的路径；图6是表示复眼透镜100的与对角线方向上的观看角度对应的亮度分布的图表；图7是表示复眼透镜100的与水平方向上的观看角度对应的亮度分布的图表；图8是表示复眼透镜100的与垂直方向上的观看角度对应的亮度分布的图表；以及图9是表示观看者900相对屏幕500的位置和观看角度间的关系的图。
具体实施例方式
下面将通过发明的优选实施例来说明本发明，但以下实施例并不用于限定本发明要求保护的范围，而且，实施例中说明的特征的全部组合并不一定是发明的技术方案所必需的。
图1表示根据本发明一实施例的背投影显示器(rear projectiondisplay)800的构成。背投影显示器800包括光学引擎(optical engine)700、镜子(mirror，即反射镜)600及屏幕(screen)500。从光学引擎700输出的光学图像由镜子600反射后向屏幕500入射。屏幕500使入射的光学图像散射，并向观看者侧射出，从而实现适当的观看区域。
图2表示图1的屏幕500的A部分的具体构成。屏幕500具有菲涅尔透镜(Fresnel lens)200、复眼透镜(fly-eye lens，又称蝇眼透镜)100及前面板300。菲涅尔透镜200使从光学引擎700射出的光的前进方向与复眼透镜100的光轴方向一致。复眼透镜100具有多个单透镜10，并用单透镜10使入射的光散射后射出。前面板300在保护复眼透镜100的同时，通过在表面上实施的AR涂层等防炫光(anti glare)处理来减少外界光的反射。复眼透镜100是本发明的透射式屏幕的一例。
图3是表示复眼透镜100的外形和单透镜10的边界形状的俯视图。单透镜10的边界形状呈与复眼透镜100的外形相似的长方形，且沿着与复眼透镜100的外形相同的方向形成。例如，将复眼透镜100的纵向、即使用时的垂直方向的长度设为V1，将横向、即使用时的水平方向的长度设为H1，将单透镜10的边界形状的垂直方向的长度设为V2，将单透镜10的边界形状的水平方向的长度设为H2。另外，将复眼透镜100的对角线的距离设为D1，将单透镜10的对角线的距离设为D2。此时，以下关系成立
V1∶H1∶D1＝V2∶H2∶D2D1＞H1，D1＞V1，D2＞H2，D2＞V2而且，单透镜10的对角方向与复眼透镜100的对角方向一致。因此，单透镜10的棱线长度在复眼透镜100的对角方向上为最长。
图4是表示单透镜10的外形的立体图。图中，AX表示单透镜10的光轴，T表示单透镜10的透镜顶点。另外，BV表示在使用复眼透镜100时沿垂直方向延伸的单透镜10的边界线，BH表示沿水平方向延伸的单透镜10的边界线。BV及BH均呈拱形，在图3所示的对角部分一致。本实施例的单透镜10的曲率在以光轴AX为中心的旋转方向上不变(为常数)。
与单透镜10的光轴AX方向相关的从透镜顶点T到透镜边界BV、BH的距离在图3所示的长方形的对角方向上最大。即，在光轴AX方向上，经过光轴AX的对角方向的透镜截面上的从透镜顶点T到透镜边界的距离大于经过光轴AX的水平方向的透镜截面上的从透镜顶点T到透镜边界BV的距离。同样，在光轴AX方向上，经过光轴AX的对角方向的透镜截面上的从透镜顶点T到透镜边界的距离大于经过光轴AX的垂直方向的透镜截面上的从透镜顶点T到透镜边界BH的距离。
与单透镜10的光轴AX方向相关的从透镜顶点T到透镜边界BV、BH的距离在单透镜10的水平方向上比在单透镜10的垂直方向上大。即，与光轴AX方向相关的从透镜顶点T到透镜边界BV的距离大于与光轴AX方向相关的从透镜顶点T到透镜边界BH的距离。因此，在将复眼透镜100的长方形的短边朝向铅直(垂直)方向使用的状态下，当从单透镜10的透镜面入射与单透镜10的光轴方向平行的图像光(image light，或称影像光等)时，从单透镜10射出的图像光的散射角度，在复眼透镜100所呈的长方形的对角方向上比在水平方向及垂直方向上大。由此，可对观看者提供屏幕500的拐角处(角落)不会变暗的图像(或称影像等)。
单透镜10的材料使用在至少可透射可见光的材料中折射率大致为1.4至1.65的材料。使用折射率小于1.4的材料时，单透镜10没有充分的透镜光学能力(lens power)，不能以适当角度散射入射光。相反，使用折射率大于1.65的材料时，由于透镜的形状，有时入射至单透镜10的光在内部发生反射，致使作为屏幕的透射效率降低。因为在塑料及玻璃中有很多折射率为1.4至1.65的材料，所以只有根据制造方法和材料成本选择单透镜10的材料即可。另外，当选择折射率为1.4或1.65的材料时，由于材料物性的偏差有时会出现折射率低于1.4或高于1.65的情况。这样的偏差在本实施例许可的范围内。材料物性偏差的大小根据材料种类、材料制造者不同而有所不同，例如为1.4±0.05及1.65±0.05的程度。
图5表示单透镜10的垂直方向、水平方向及对角方向上的各图像光的路径。图中，V2表示单透镜10的垂直方向的长度，H2表示单透镜10的水平方向的长度，D2表示单透镜10的对角方向的长度。单透镜10固定在树脂制成的基底(substrate)20上。基底20具有到达单透镜10的焦点附近的厚度。在基底20的与单透镜10相反侧的面上设置有遮光层30。遮光层30可吸收光。遮光层30以单透镜10的光轴为中心形成有开口部32，该开口部32的大小为使图像光透射的最低限度。从单透镜10的透镜面相对单透镜10的光轴大致平行地入射的图像光以与入射面的透镜形状相应的角度折射，在单透镜10的光轴上的焦点聚焦后，从开口部32散射射出。即，遮光层30选择性地射出图像光，同时防止外界光的反射。由此，屏幕500可向观看者侧放映高对比度的图像。
在单透镜10的对角方向上向D2范围入射的图像光从开口部32以θD的散射角度射出。在单透镜10的水平方向上向H2范围入射的图像光从开口部32以θH的散射角度射出。同样，在单透镜10的垂直方向上向V2范围入射的图像光从开口部32以θV的散射角度射出。如上所述，单透镜10的对角方向的距离D2比水平方向的距离H2及垂直方向的距离V2都大。因此，从该图可知，向对角方向的散射角度θD比向水平方向的散射角度θH及向垂直方向的散射角度θV都大。由此，从复眼透镜100射出的图像光的观看角度(视野角度)在单透镜10的对角方向上比在水平方向及垂直方向上更大。
图6至图8是表示从复眼透镜100射出的光相对观看角度的亮度(luminance)分布的图表。横轴表示观看角度相对光轴方向的倾角。纵轴表示复眼透镜100的亮度的亮度比，此时，将观看角度为0°、即从光轴方向观看单透镜10的射出侧时的亮度设为1。复眼透镜100的亮度随着观看角度增大而单调递减。图7及图8分别表示使观看方向向复眼透镜100的水平方向及垂直方向倾斜时的亮度的变化。在使观看方向分别向水平方向及垂直方向倾斜时，在分别到达图5所说明的散射角度θH及θV的时刻亮度急剧下降。另一方面，图6表示使观看方向向复眼透镜100的对角方向倾斜时的亮度的变化。在使观看方向向对角方向倾斜时，在达到比散射角度θH及θV都大的散射角度θD之前亮度不会急剧下降。
在其他实施例中，单透镜10的透镜形状也可在以光轴AX为中心的旋转方向上变化。即单透镜10也可为非旋转轴对称透镜。此时，优选方式为，使用时的水平方向上的单透镜10的透镜光学能力大于使用时的垂直方向上的透镜光学能力。由此，水平方向的视野角度变得比垂直方向大，作为屏幕500可得到良好的视野角度特性。另外，所谓透镜光学能力表示折射光的强度，与透镜形状和透镜材料的折射率有关。
图9表示观看者900相对本实施例的屏幕500的位置和观看角度之间的关系的一例。假定观看者900从屏幕500正面的任意位置观看屏幕500，在观看者900位于屏幕500拐角部的正面的状态下，观看对角的拐角部时观看角度最大。例如，在位于屏幕500左下拐角部A的正面的状态下，观看对角的拐角部D时观看角度最大。此时，观看对角的拐角部D时的观看角度大于观看位于拐角部A上侧的拐角部B及位于拐角部A右侧的拐角部C时的观看角度。即使针对这样的观看条件，与从光轴方向看到的透镜边界和屏幕的外形不相似的现有复眼透镜相比，本实施例的复眼透镜100在屏幕500的对角方向上的视野角度更大。因此，可向观看者900提供屏幕500的拐角处没有变暗的图像。
从上述说明可知，本实施例的复眼透镜100在使用时的屏幕500的对角方向上具有比其他方向大的视野角度。尤其是在50英寸以上的大型屏幕中，可扩大观看角度容易变大的对角方向上的视野角度。
另外，在复眼透镜100中，为了使单透镜10的透镜有效部分最大化，最好使透镜形状向外侧突出直至相邻单透镜10间的边界部。但是，此时由于单透镜10的边界部成为锋利的边缘，故在制造时、组装时容易从边缘产生龟裂。因此，为了确保透镜边界部的强度，也可以用角R连接单透镜10的透镜边界。此时，透镜边界部分的角R的大小最好小于等于单透镜10的透镜间距的十分之一。
以下对复眼透镜100的制造方法进行说明。透镜的材料可使用至少可透射可见光、且折射率大致属于1.4至1.65范围内的材料。例如包括公知的热固性(即硬化性)树脂、光固性树脂、热塑性树脂、玻璃等。即，可列举向刻印有上述透镜形状的模具中填充树脂成形的方法，或将填充在模具中的材料进一步转印到基底上的方法。另外，还可列举将紫外线固化树脂等光固性树脂均一涂布在基底上、并向形成透镜的部位照射光线使其固化后去除无用部分的方法，机械地切削基材表面制成透镜形状的方法，以及将这些进行组合的方法等。
其中，在模具和基底之间填充透镜材料成型的方法最佳，可最高效、且高精度地制造单透镜10。即，如图4所示，在透镜面的相反侧，在单透镜10和遮光层30之间夹持有透明的塑料薄膜、即基底20。
另外，模具的制造方法中公知的有机械切削加工、局部实施掩模处理的玻璃的蚀刻、照相平版技术、MEMS(显微机械加工)方法等，可使用其中任一方法。此时，模具也可为平板状，但在基底20采用具有可挠性的塑料薄膜等时，最好使用筒状的模具。采用筒状模具时，使用具有可挠性的基底20可在大面积上连续地制造单透镜10。由此，可高效地制造复眼透镜100。
另外，也可以使用以下方法在将紫外线固化树脂等固化能量线固性树脂层压后，通过选择性地照射紫外线等固化能量线，从而使需要部分固化，然后去除未固化部分。
作为透镜材料，从生产效率、形状精度、设备的简便程度等方面考虑优选光固性树脂。尤其是在基底20采用薄塑料薄膜时，从固化性、可挠性、弯曲性等方面考虑，优选将通过光线固化的光固性树脂、尤其是紫外线固性树脂作为透镜材料使用。光固性树脂的特性例如可通过改变单体、预聚物、聚合体、光聚合引发剂等光固性树脂成分来加以调整。
作为构成光固性树脂的成分之一优选使用的单体、预聚物基本上含有至少一个以上的官能团。在反应的固化能量线为紫外线时，除该主要成分外，还必须添加通过照射固化能量线从而产生离子或原子团的物质、即所谓的光聚合引发剂。
在此，所谓官能团是指乙烯基、羧基、羟基等构成反应原因的原子团或结合方式。本实施例从照射固化能量线使树脂组成物固化的方面出发，考虑到固化性等方面优选使用丙烯酰基等具有乙烯基的物质。
具有这样的丙烯酰基的单体可从公知的物质中适当地选择使用，并没有特殊限定。如果列举典型例子的话，包括丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸2-羟基乙酯、丙烯酸2-羟基丙酯、四氢呋喃及其衍生物丙烯酸酯等单官能团物质，丙烯酸双环戊烯基酯、二丙烯酸1，3-丁二酯、二丙烯酸1，4-丁二酯、二丙烯酸1，6-己二酯、二丙烯酸二乙二醇酯、二丙烯酸聚乙二醇酯、二丙烯酸三丙二醇酯、二丙烯酸二羟甲基三环癸烷酯等双官能团物质，以及三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三丙烯酸季戊四醇酯、六丙烯酸二季戊四醇酯等三官能团以上物质。在上述单体中，从固化后的膜硬度为HB以下时可挠性优良、交联密度小且体积收缩率小的物质多、耐卷曲性优良等方面考虑，优选使用三官能团以下的物质。
在本实施例中，除上述单体外，多数情况是将预聚物与所述单体一起使用。本实施例中所使用的预聚物也与单体相同没有特殊限定。是以聚酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯等为代表的物质，从体积收缩小、可挠性等原因考虑，可使用三官能团以下的物质，且优选使用双官能团或三官能团的物质。
光聚合引发剂没有特殊限定，典型的可列举乙酰苯系、二苯甲酮系、米蚩酮系、苯偶酰系、苯偶因系、苯偶姻乙醚系、安息香双甲醚系、苯偶姻苯甲酸酯(benzoinbenzoate)系、α-酰氧基酯系等羰基化合物，一硫化四甲基秋兰姆、噻吨酮类等硫化合物，以及(2，4，6-三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦等磷化合物等。可单独使用这些物质或者混合两种以上后使用。
上述光聚合引发剂的添加量相对100质量份单体及/或预聚物成分为0.1～20质量份，且优选0.5～15质量份。因为当光聚合引发剂不满上述范围时则固化性低，另外当超过上述范围时会产生固化后溢出的问题，故不佳。
另外，在本实施例中，为了控制树脂组成物固化前、固化中、固化后的树脂的特性及物性，或者为了控制固化膜的特性及物性，可使用各种添加剂。在此，作为控制固化前的特性及物性的物质包括涂料稳定剂(防止凝胶化、防止固化)、增稠剂(提高涂布性)等。另外，作为控制固化中的特性的物质包括光聚合催化剂、吸光剂(两者都用于调整固化特性)等。此外，作为控制固化后的膜特性的物质包括可塑剂(提高可挠性)、紫外线吸收剂(赋予耐光性)等。
本实施例中所使用的光固性树脂从强度、可挠性、耐卷曲性等方面考虑，可添加聚合物。在此，聚合物的种类没有特殊限定，可使用公知的聚合物，例如聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等。考虑到耐久性及粘结性等时可使用氯化聚合物。氯化聚合物分为两类含有氯的单体的聚合物和将各种聚合物进行氯化处理的所谓后氯化物。含有氯的单体的聚合物的例子包括聚氯化乙烯及其共聚物、聚偏二氯乙烯及其共聚物、以及氯丁烯橡胶等。后氯化物的例子有氯化聚丙烯、氯化聚乙烯、氯化聚酯、氯化橡胶及氯化聚异戊二烯等。在本实施例中，优选使用后氯化物。
聚合物的氯化方法没有特殊限定，但最简单的方法是将橡胶或聚合物溶解在四氯化碳、氯仿等氯系溶剂中，在40～90度下进行氯化，经过蒸馏、洗净、干燥等工序进行制造。上述氯化聚合物的含量相对100质量份所述单体及预聚物成分为10～100质量份，且优选为20～60质量份。因为当含量不满上述范围时添加的效果低，另外当超过上述范围时光固化型树脂的感光度低，故不佳。
在本实施例中，设置在单透镜10及遮光层30之间的基底20优选使用塑料薄片或塑料薄膜。基底20的材质可以列举丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯及聚醚等。或者也可以为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜、马来酰亚胺树脂、聚氯化乙烯、聚甲基丙烯酸酯、密胺树脂、三乙酰纤维素树脂及降冰片烯树脂等。另外，还可以使用这些物质的共聚物、混合物及交联的物质，但从透明性等光学特性和机械强度的平衡观点考虑，在聚酯薄膜中最好也使用双轴延伸的聚对苯二甲酸乙酯薄膜。
所述复眼透镜100的制造方法适用于单透镜10的间距小于等于200μm、且聚焦点距离小于等于200μm、相对排列间距来说聚焦点距离比较小的复眼透镜。尤其适用于高精度、稳定地制造单透镜10的间距小于等于100μm且聚焦点距离小于排列间距的复眼透镜。
遮光层30的开口部32的形成方法使用公知的自定位(selfalignment，或称自对准)法。向单透镜10照射的能量线的平行度及复眼透镜面内的均匀度可根据需求的复眼透镜薄片的特性进行各种选择。为了得到与单透镜的排列图案对应的能量线强度分布，使用具有用半幅全宽表示为小于等于6度的平行度的能量线。并且，均匀度优选照射面内的任意九个点上的照射强度的最小值相对最大值为大于等于80％。
在上述自定位法中，照射的紫外线等能量线的光路和实际使用时的可见光的光路由于单透镜10及基底20的折射率波长相关性而错位。作为校正该错位的方法，可以将用于曝光的紫外线等预先扩散为预定角度，还可以在使曝光光轴从单透镜10的光轴开始在±10度的范围内摆动的状态下进行曝光，或者同时进行这些。具体地说，在单透镜10的透镜面相反侧，涂布利用能量线使相对溶剂的溶解度上升的感光性树脂混合物(以下有时称为正型感光性树脂)，从透镜面进行曝光，通过选择性地溶解、去除感光部分，从而形成具有开口部32的图案的遮光层30。此时，优选采用以下方法在单透镜10的透镜面相反侧涂布具有遮光性的正型树脂混合物，从透镜面照射与单透镜10的光轴平行的能量线，利用透镜的聚光作用，溶解、去除不需要的部分。
为了高精度地形成遮光层30的排列图案，优选加大曝光强度分布的对比度。因此，遮光层30必须位于由单透镜10的透镜形状确定的焦点位置上。在本实施例中，通过调节设置在单透镜10和遮光层30之间的基底20的厚度，从而可容易且高精度地控制单透镜10和遮光层30的距离。因此，可容易且高精度地形成开口部32的排列图案。
此外，遮光层30由添加了金属及其氧化物、颜料、染料的上述树脂混合物等公知材料制成。其中添加了颜料、染料的树脂混合物从用于吸收构成噪音原因的外界光方面考虑优选。并且，作为所述遮光层30的色调，可见光优选黑色。例如，优选使用将碳黑、钛黑等颜料或黑色的染料等分散或溶解到树脂混合物中的物质。另外，在使用染料时，从耐光性等方面考虑优选使用日光坚固度大于等于5的黑色染料，从分散性、与树脂的兼溶性、通用性等方面考虑优选使用偶氮系的黑色染料。另外，用于分散或溶解上述颜料及染料的树脂成分使用公知的树脂，例如丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚酯、酚醛清漆树脂、聚酰亚胺、环氧树脂等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限定本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
符号说明10单透镜20基底30遮光层32开口部100复眼透镜 200菲涅尔透镜300前面板 500屏幕600镜子 700光学引擎800背投影显示器 900观看者
权利要求
1.一种透射式屏幕，具有平面排列的多个单透镜，且外形为长方形，其特征在于所述单透镜彼此间相邻的透镜边界呈与所述透射式屏幕的外形相似的长方形；在将所述透射式屏幕的所述长方形的短边朝向铅直方向使用的状态下，当在所述单透镜的透镜面上入射与所述单透镜的光轴方向平行的图像光时，从所述单透镜射出的所述图像光的散射角度，在所述透射式屏幕所呈的所述长方形的对角方向上比在水平方向及垂直方向上大。
2.根据权利要求1所述的透射式屏幕，其特征在于所述单透镜的曲率在以光轴为中心的旋转方向上不变。
3.根据权利要求1所述的透射式屏幕，其特征在于在将所述透射式屏幕的所述长方形的短边朝向铅直方向使用的状态下，当从所述单透镜的透镜面入射与所述单透镜的光轴方向平行的图像光时，从所述单透镜射出的所述图像光的散射角度在水平方向上比在垂直方向上大。
4.根据权利要求1所述的透射式屏幕，其特征在于所述单透镜的折射率基本上为1.4至1.65。
全文摘要
本发明提供一种在使用时的对角方向上具有比其他方向大的视野角度的透射式屏幕。在具有多个单透镜(10)的复眼透镜(100)中，复眼透镜(100)的透镜边界呈与复眼透镜(100)的外形相似的长方形，在将复眼透镜(100)的长方形的短边朝向铅直方向使用的状态下，当在单透镜(10)的透镜面上入射与单透镜(10)的光轴方向平行的图像光时，从单透镜(10)射出的图像光的散射角度，在复眼透镜(100)的外形所呈的长方形的对角方向上比在水平方向及垂直方向上大。
文档编号G02B3/00GK1773370SQ20051011520
公开日2006年5月17日 申请日期2005年11月11日 优先权日2004年11月12日
发明者药师寺谦一, 青木裕一 申请人:株式会社有泽制作所