ПРОСВЕТНЫЙ ЭКРАН Российский патент 1996 года по МПК G03B21/60 

Изобретение относится и технике проекционного телевидения и кино, в частности к рирпроекции, когда воспроизводящее устройство находится для наблюдателя за экраном.

Известны различные варианты конструкций экрана с цилиндрическими микролинзами как в сочетании с линзой Френеся, так и с двусторонними цилиндрическими линзами, при этом параллельно линзам в специальных канавках или между линзами укладывают тонкие прочные нити из натурального или искусственного волокна /1/.

Существенными недостатками известных просветных экранов являются противоречия в конструкциях: при относительно большом светопропускании однослойных экранов нет возможности коррекции диаграммы рассеивания и защиты от горячего пятна, а многослойные экраны имеют большие потери света и в большинстве своем неоднородную цветопередачу в разных точках поля зрения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является просветный экран, содержащий основу, поверхности которой могут быть выполнены в виде линзы Френеля и цилиндрических микролинз, а в качестве агента светорассеивателя в толще основы диспергированы стеклянные шарики диаметром от 5 до 63 мкм, имеющие сферическую форму, что обеспечивает более равномерную дисперсию света при большей прозрачности экрана /2/. Экрану свойственны те же недостатки, которые отмечены у аналогов, хотя применение стеклянных сферических элементов в качестве светорассеивателя обеспечивает некоторые улучшения прозрачности и разрешающей способности.

Важным критерием известных конструкций является то, что они в основном предназначаются для проекционных телевизионных устройств вещательного телевидения, где потребность в них наибольшая, в связи с чем требования к ним ограничиваются относительно небольшими углами вертикальной и горизонтальной индикатриссы, в которых располагаются зрители. Однако, применение просветных экранов не ограничено только кинематографом, вещательным телевидением и просмотровой аппаратурой для микрофильмов и микроафиш. Просветные экраны необходимы для всевозможных профессиональных тренажеров, в том числе авиационных и космических где выбор параметров экрана в значительной мере определяет достоверность воспроизводимой ситуации. Тренажеры предполагают не только малоподвижное относительно экрана положение тренируемого, нo и перемещение его во время тренировки в широком диапазоне углов как по горизонтали, так и по вертикали. При этом к экрану предъявляются значительно более жесткие требования по равномерности яркости и цветности изображения, причем в значительно больших, чем у известных конструкций углах зрения.

Технической задачей является обеспечение высоких параметров в широком диапазоне значений и возможность изготовления экрана с заранее заданными параметрами и характеристиками индикатрисс в обоих направлениях.

Технический результат достигается тем, что просветный экран, состоящий из прозрачной основы и также при необходимости дополнительных слоев светорассеивателей, например, линза Френеля, содержит по крайней мере один светорассеиватель, выполненный в виде монослоя на прозрачной основе и состоящий из отдельных прозрачных сферических элементов или их комбинации с цилиндрическими, причем толщина монослоя не превышает максимального диаметра этих элементов; элементы светорассеивателя расположены в монослое по заранее заданному закону; в качестве прозрачной основы экрана применена ортогональная светорассеивающая сетка из цилиндрических элементов, причем вертикальные и горизонтальные элементы в сетке расположены по заранее заданному закону; в монослое и в сетке основы между элементами светорассеивателя расположены с заданной периодичностью непрозрачные светопоглощающае элементы; светорассеивающие элементы экрана не имеют оптического контакта между собой и с прозрачной основой; вертикальные и горизонтальные элементы сетки имеют различные показатели преломления.

Новым для просветного экрана прежде всего является применение сферических и цилиндрических элементов светорассеивания изготовленных, например, из стекла и расположенных в плоскости экрана в виде монослоя. Для достижения максимальных значений разрешающей способности экрана, рассеивающий слой которого представляет собой совокупность сферических элементов или их комбинацию с цилиндрическими, необходимо с одной стороны применить рассеивающие элементы диаметром существенно меньшим, чем размер элемента изображения, а с другой стороны "упаковать" их в плоскости экрана таким образом, чтобы толщина слоя была возможно меньшей. В противном случае потери разрешающей способности будут происходить либо на большом сложном элементе, состоящем из нескольких, составляющих толщину слоя данной точки, либо на одном элементе большого размера.

Одновременно с необходимостью достижения высокого разрешения экрана требуется обеспечить возможно большие углы рассеивания. В известных конструкциях экрана эти требования практически невозможно совместить, тогда как описываемое техническое решение позволяет эту задачу решить.

На фиг. 1 показана конструкция экрана; на фиг. 2 монослой сферических элементов 1, закрепленных клеющим веществом 2 на прозрачной основе 3; на фиг. 3 тоже в сочетании с линзой Френеля 4; на фиг. 4 показаны характеристики полусферической /полуцилиндрической/ линзы, обращенной выпуклостью к зрителю; на фиг. 5 обращенной выпуклостью к источнику изображения; на фиг. 6 прохождение света в сферическом элементе, погруженном в прозрачную основу экрана; на фиг. 7 прохождение света в сферическом /цилиндрическом/ элементе, не имеющем оптического контакта с основой; на фиг. 8 и 9 конструкция просветного экрана на прозрачной основе в виде сетки из оптических волокон 5, в ячейках которой расположены сферические элементы 1; на фиг. 10 экран на основе в виде сетки, в которую по вертикали введены дополнительные прозрачные и непрозрачные светопоглощающие волокна 6, обеспечивающие разное светорассеивание по горизонтали и по вертикали и повышение контраста изображения.

На фигурах обозначены:
R радиус кривизны поверхности рассеивающего элемента,
n показатели преломления сред,
F фокусное расстояние рассеивающего элемента,
α угол рассеивания проходящих лучей.

Для подтверждения приведенных оценок известных просветных экранов и описываемого технического решения воспользуемся соотношениями элементарной оптики.

Для хода лучей по фиг. 4
Для хода лучей по фиг. 5 при условии сплошной среды с показателем преломления

а в случае тонкой основы, т.е. преломление лучей на выходе светарассеивающего элемента

Анализируя записанные соотношения можно утверждать, что большие углы рассеивания достигаются в случае, показанном на фиг. 5. Так как показатели преломления стекла лежат в интервале 1,5-1,75, то углы рассеивания в варианте по фиг. 5 могут быть от 41^o до 90^o, т.е. при такой геометрии элемента теоретически возможно получение любых углов рассеивания на слое полусферических элементов. В варианте по фиг. 4, даже если найти материал с показателем преломления n₁ 2, угол рассеивания не превышает 45^o, хотя в известных конструкциях по технологическим причинам предпочтительным решением является расположение цилиндрических линз в сторону зрителя. Для оценки максимально достижимых углов рассеивания в случае применения сферических элементов, диспергированных в толщу основы /прототип/, показанных на фиг. 6, примем величины показателей преломления, которые позволяют получить наилучшие значения углов. Показатели преломления связующих веществ, применяемых для основы экрана лежат в пределах от 1,4 до 1,7. Приняв показатель сферического элемента m 2, а основы n₂=1,4 получим α = 60^°.
Приведенные оценки сделаны по теоретическому максимуму, что доказывает ограниченность достижимых углов рассеивания.

Для сферического элемента по фиг. 7 угол рассеивания при реальных показателях преломления и отсутствии оптического контакта с основой может лежать в пределах полной полусферы. При этом следует отметить, что в конструкции большие углы рассеивания практически не уменьшают контраста изображения. Приведены варианты конкретного исполнения просветных экранов.

1. Экран на основе пластины органического стекла по фиг. 1-3. На внешней поверхности пластины 3 с помощью оптического клея 2 типа ОК-72-ФТ с показателем преломления n 1,5 был закреплен монослой стеклянных шариков 1 диаметром от 4 до 80 мкм с показателем преломления n 1,55. При этом шарики были погружены в клей на половину своего диаметра, а участки клея между шариками покрыты сажей для исключения прямого прохождения света /катодное пятно/ и улучшения контраста. Получены характеристики экрана: коэффициент пропускания 0,6; двойной угол рассеивания ±44^o; разрешающая способность 5 лин/мм; контраст 1:60.

2. В качестве прозрачной основы экрана /фиг.8-9/использована ортогональная прозрачная сетка из полиамидных волокон 5 диаметром 25 мкм с шагом 100 мкм в обоих направлениях. В каждую ячейку сетки были уложены стеклянные шарики диаметром 90-95 мкм. Показатель преломления стеклянных шариков и полиамидных волокон сетки лежит в пределах 1,4 1,55. Характеристики экрана при положении источника изображения со стороны шариков составили: коэффициент пропускания 0,67; двойной угол рассеивания ±60^o; разрешающая способность 4,5 лин/мм; контраст 1:70.

3. Экран с конструкцией, как в примере 2, но сетка основы изготовлена из светопоглощающих нитей полиамида черная. При положении источника изображения со стороны шариков получены характеристики: коэффициент пропускания 0,55; двойной угол рассеивания±60^o; разрешающая способность 4,5 лин/мм, контраст 1:85. При положении источника со стороны основы получены характеристики: коэффициент пропускания 0,4; двойной угол рассеивания ±45^o; разрешающая способность 4,5 лин/мм; контраст 1:80.

Таким образом, представляется возможность выполнить экран с определенными углами рассеивания по горизонтали и по вертикали, а также управления контрастом, что определяется выбором шага нитей сетки, их диаметром, отношением числа прозрачных и непрозрачных нитей.

Поскольку углы рассеивания и контраст изображения больше при отсутствии оптического контакта между рассеивающими элементами и основой, следовательно элементы можно связать между собой без иммерсии.

Существенным достоинством технического решения является возможность изготовления просветных экранов в виде непрерывного полотна определенной ширины, из которого затем могут быть вырезаны экраны требуемых размеров. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8

Использование: проекционное телевидение и кино. Сущность изобретения: просветный экран выполнен в виде прозрачной основы 3 линзы Френеля 4 и других светорассеивателей. Светорассеиватель в виде сферических прозрачных элементов 1 расположен на основе 3 монослоем, толщина которого не превышает максимального диаметра этих элементов. Элементы светорассеивателя расположены в монослое по заранее заданному закону, возможно в сочетании с непрозрачными элементами, повышающими контраст изображения. В качестве основы можно применять сетку из цилиндрических прозрачных или непрозрачных элементов, с шагом и оптическими характеристиками по заранее заданному закону. 6 з. п. ф-лы, 10 ил.

1. Просветный экран, содержащий прозрачную основу, линзу Френеля и светорассеиватели, отличающийся тем, что по меньшей мере один светорассеиватель выполнен в виде монослоя из сферических элементов или сочетания сферических элементов с цилиндрическими, причем толщина монослоя не превышает максимального диаметра сферических элементов. 2. Экран по п. 1, отличающийся тем, что элементы светорассеивателя расположены в монослое по заранее заданному закону. 3. Экран по пп.1 и 2, отличающийся тем, что прозрачная основа выполнена в виде ортогональной светорассеивающей сетки из цилиндрических элементов, расположенных по заранее заданному закону. 4. Экран до пп. 1 3, отличающийся тем, что между элементами светорассеивателя расположены с заданной периодичностью непрозрачные светопоглощающие элементы. 5. Экран по пп. 1 4, отличающийся тем, что светорассеивающие элементы расположены с зазором между собой и с прозрачной основой. 6. Экран по п. 3, отличающийся тем, что вертикальные и горизонтальные элементы светорассеивающей сетки выполнены с различными показателями преломления.