專利名稱：采用光透射屏幕的顯示系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用光透射背投影屏幕的顯示系統(tǒng)，該顯示系統(tǒng)可用于電視接收機(jī)、電視監(jiān)視器、VDU或其類似的裝置。
在減小電視接收機(jī)的尺寸、重量和體積方面，人們已越來越感興趣利用液晶顯示器取代普通的陰極射線管來作為電視屏幕。事實(shí)上，各種采用液晶顯示屏幕(LCD屏幕)的微型電視接收機(jī)已經(jīng)成功地問世。然而，至今還未能制造出對角線長度超過5英吋的商品化的液晶顯示電視屏幕。
此外，近來人們一直對與CRT型式電視顯示相配合的背投影屏幕發(fā)生了興趣，以提供比實(shí)用的最大的CRT型電視顯象管還要大得多的圖象屏幕。
本發(fā)明的目的是要提供一種可以增大液晶顯示屏幕或普通CRT屏幕視在尺寸的方法，而避免了制造相應(yīng)尺寸的液晶顯示器或CRT顯象管所固有的技術(shù)問題，并且不會增加整個裝置的尺寸、重量或復(fù)雜性到人們不可接受的程度。因此，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的顯示系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，給出了這樣一個顯示系統(tǒng)，它包括了一個物屏、一個背投影象屏和一個投影系統(tǒng)，這個投影系統(tǒng)將物屏上的一個象投影到該背投影象屏上，這個后投影象屏由一層透明材料片組成，這層透明材料薄層由一個整體的具有梯度折射率分布的微透鏡的陣列組成。
該后投影屏幕最好是這樣一層透明塑料，該塑料層已經(jīng)通過將一種可光聚合的樹脂經(jīng)過選擇性的梯度聚合作用而形成整體的具有梯度折射率分布的透鏡，這種梯度聚合作用是由制作過程中該薄層對其上方光線曝光度相應(yīng)的變化產(chǎn)生的。
制作這種背投影象屏幕的一個較好的方法是在一個基片上施加一種具有局部變化折射率的材料，以便提供具有梯度折射率分布的微透鏡或小透鏡。
該方法最好將一種化合物以單體形式施加到該基片上，該化合物經(jīng)過紫外線的選擇性曝光后，將選擇性地聚合成所說的具有梯度折射率的透鏡，首先這個單體層的每個單元點(diǎn)都接受該層表面上方紫外線的曝光，在隨后該層材料進(jìn)行聚合后形成所希望的微透鏡，然后將這層材料經(jīng)受紫外線的覆蓋曝光(blanketingexposure)以完成聚合作用。
在選擇性曝光和覆蓋曝光之間，最好將該材料加熱到它的軟化溫度，以增加微透鏡區(qū)域內(nèi)的折射率變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一個三維的顯示系統(tǒng)，它包括一個由這里規(guī)定的微透鏡陣列構(gòu)成的光透射屏幕，一個光學(xué)象源或兩個光學(xué)象源，以及將所說象源的光線從屏幕的一側(cè)引導(dǎo)到所說屏幕上的裝置，這種安排方式使得當(dāng)一個人從屏幕的另一側(cè)用雙眼觀看該屏幕、并使其眼睛處在預(yù)定的位置或與所說陣列成預(yù)定角度方向時，他的一只眼睛接收到由該陣列中每隔一個的微透鏡組成的第一組該微透鏡來的光線，而另一只眼睛接收到由該陣列其余的透鏡組成的第二組、即互補(bǔ)組微透鏡來的光線，這種安排方式使得觀看者的每只眼睛因此看到該屏幕范圍內(nèi)所述兩個象中相應(yīng)的一個，由此，當(dāng)上述兩個象與觀看一個三維景物的人的兩只眼睛看到的該三維景物相應(yīng)的兩個象吻合時，觀看具有該微透鏡陣列的屏幕的人就可以在陣列區(qū)域內(nèi)感覺到一個相應(yīng)的三維圖象。
該透射薄層最好采用如下的形式其每一個微透鏡或小透鏡綜合一個單純會聚透鏡和一個薄棱鏡的功能，使得依次排列的微透鏡將穿過它們的光線折射到左面和右面。這可由該薄層的表面局部成形獲得。這種具有最后提到的特征的薄層例如可以用以下方法成形澆鑄、模制或?qū)⒁环N合適的塑料材料擠壓入一個具有互補(bǔ)構(gòu)形表面的“原”?；蚰Ｗ觾?nèi)擠壓成形。但是，更可取的是，至少可以根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，使透鏡陣列的折射率局部變化來給出每一微透鏡的會聚功能。在這種情況下，如前所述，該薄層可以由一種可聚合的材料組成，該材料的折射率可以通過一定條件下的曝光而改變(可能接著是一個適當(dāng)?shù)摹帮@影”過程)。這樣一種這里稱為光聚合物的介質(zhì)，可以通過采用基本的攝影技術(shù)而被記錄，例如利用一個適當(dāng)?shù)南笠粋€纖維光學(xué)平面或一個照相微粒屏幕這樣的原版通過光學(xué)接觸過程被記錄。
上述的采用一種光聚合物和利用體積效應(yīng)來形成一個微透鏡屏幕的方法類似于產(chǎn)生具有梯度折射率透鏡(G.R.I.N.S)的制造過程。用這種方法制成的大體是管形的微透鏡最好有一定的方向，使得能夠控制光線沿觀看屏幕人眼睛要求的方向到達(dá)。于是提出了克服在觀看由一個小的源產(chǎn)生的放大象時會引起一個中間“輝點(diǎn)”效應(yīng)的屏幕方向性問題。這樣的方向控制可以在屏幕制作過程中通過利用一個激光源來調(diào)節(jié)記錄射線的方向而實(shí)現(xiàn)。
如上所述，任何其它適當(dāng)?shù)募夹g(shù)也可以用于制作這種微透鏡屏幕，例如，用光學(xué)成象技術(shù)、電子束技術(shù)或其它類似的技術(shù)。
顯示設(shè)備最好包含有一個高分辨率的液晶顯示器作為相應(yīng)的電視接收機(jī)、電視監(jiān)視器、VDU或其它類似裝置的屏幕。或者，顯示設(shè)備也可以包含一個比普通家用電視機(jī)的尺寸小的高亮度的CRT顯象管。然而，為了敘述方便起見，以下將把發(fā)生光學(xué)圖象的顯示設(shè)備的屏幕稱為“LCD屏幕”，以區(qū)別于微透鏡屏幕。位于LCD屏幕之前例如幾英吋的距離，但不要求一定與之平行，是前面所述的具有微透鏡或小透鏡陣列的屏幕，可以采用了光折彎技術(shù)(見下面)。為了方便起見，這種上面裝有微透鏡陣列的屏幕在這里被稱為微透鏡屏幕。在LCD屏幕和微透鏡屏幕之間加入一個光學(xué)系統(tǒng)，它把LCD屏幕上的圖象真實(shí)地在微透鏡屏幕上形成一個實(shí)象。這個光學(xué)系統(tǒng)最好采用了光線折彎技術(shù)，例如安裝有反射鏡或內(nèi)反射棱鏡或其它類似裝置，以便從光學(xué)角度來看，有效地將微透鏡屏幕安置在一個相對于LCD屏幕比實(shí)際距離遠(yuǎn)得多的視在距離上，因?yàn)榭紤]到LCD屏幕與微透鏡屏幕之間的實(shí)際距離是受到要求所限制的。于是，舉例來說，采用如下的安置方式，在一個對角線尺寸3英吋的LCD屏幕以及設(shè)在微透鏡屏幕后面3英吋間距的情況下，觀眾將在對角線尺寸為13英吋的微透鏡屏幕上感覺到一個在視在尺寸上與LCD屏幕的圖象相對應(yīng)的圖象。
微透鏡屏幕的這種功能類似于由半透明材料、如用在某些電影攝影技術(shù)中或用于反射式照相機(jī)調(diào)焦屏上的毛玻璃構(gòu)成的背投影屏幕，在這些已知的裝置中，半透明屏的每一部分實(shí)際上向各個方向散射光線，但也透射通過(基本上不散射)一大部分落在該部分的光線，引起眾所周知的“光暈”或“輝點(diǎn)”效應(yīng)，即看到的圖象的光照強(qiáng)度從屏幕的中央向邊緣區(qū)域遞減。此外，這些已知的裝置具有另外的缺陷，即成象的相當(dāng)一部分光線沿著不要求觀察到圖象的方向散射掉了，因此浪費(fèi)了光線。此外，在這樣一些普通裝置中，屏幕上的圖象會出現(xiàn)一定的發(fā)花或模糊不清的現(xiàn)象。如果將這種常規(guī)的半透明屏幕用在背投影技術(shù)中以獲得電視接收機(jī)或類似設(shè)備的LCD屏幕的放大圖象時，這些缺陷將是很明顯的。而在本發(fā)明的顯示系統(tǒng)中通過適當(dāng)?shù)貥?gòu)造這種微透鏡陣列的形狀，這些缺陷可以被避免。
因此，本發(fā)明裝置使得對一個位于相對于屏幕一個比較窄的視扇形區(qū)域內(nèi)的觀看者來說，對于LCD屏幕上的一個在LCD屏幕縱橫兩個方向均勻一致亮度的圖象，相應(yīng)的在微透鏡屏幕上形成的象也在微透鏡屏幕縱橫兩個方向具有均勻一致的亮度，而且只有可忽略不計(jì)的很小部分光線穿過微透鏡屏幕進(jìn)入該視扇形以外的區(qū)域。這樣的安置方式使得在一個相對于微透鏡屏幕通常的觀看距離位置上，與屏幕上的象的尺寸有關(guān)系，該視扇形的寬度和高度可能不超過1英呎或2英呎。
本發(fā)明的基本原理和最佳實(shí)施例的特征在下面將參照附圖予以更詳細(xì)的討論

圖1說明用一個漫散射屏幕作為背投影屏幕的一個普通的背投影顯示系統(tǒng)的示意圖;
圖2是說明一個用微透鏡陣列構(gòu)成的背投影屏幕是怎樣獲得相應(yīng)效應(yīng)的示意圖;
圖3是說明一個表面接受穿過一個開孔掩膜的光線曝光的示意圖;
圖4是對圖3說明由于衍射作用而產(chǎn)生的表面照射強(qiáng)度的變化，可以用于制造體現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的一個系統(tǒng);
圖5是一個表面接受來自緊挨著一層不透明層邊緣的光線曝光的示意圖;
圖6是與圖5類似的圖，說明在一個不透明長條下面的一個表面接受被該棒部分地遮斷了的光線照射時照射強(qiáng)度的變化;
圖7所示的是由于照射而產(chǎn)生的折射率的變化，它導(dǎo)致聚合物的聚合作用;
圖8是一個說明梯度折射率透鏡外形的示意圖;
圖9表示了梯度折射率透鏡的各種成象條件;
圖10所示是適用于梯度折射率透鏡的接收角的概念;
圖11是說明制造用于體現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的顯示器上的微透鏡屏幕的示意圖;
圖12所示是在體現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的顯示器中，梯度折射率透鏡怎樣被安排得起導(dǎo)光管的作用，以保證光線的凈偏折;
圖13說明一個包含有兩個有效層的背投影屏幕的示意圖。
借助于圖示，參看圖1，一個成象系統(tǒng)40將一個物屏41(例如一個電視顯象管)的一個實(shí)象投射到一個普通的漫散射屏42(例如一個毛玻璃屏)上。對于任意一條光線，如圖中所示的A、B、C和D，入射到屏幕上，從屏幕的另一側(cè)形成一束散射的光線。在每一條光線A、B、C和D的P處表示了在形成散射射線點(diǎn)處，相對于原來射線A、B、C和D軸的各種不同角度處由漫散射屏得到的光線相對強(qiáng)度的各個極座標(biāo)分布圖。觀察者主要看到具有一個窄擴(kuò)散角的中央輻射，于是他會在圖象的中央部分感覺到一個視覺“輝點(diǎn)”。這個中心“輝點(diǎn)”是毛玻璃型過份簡單的擴(kuò)散屏的特性。
如圖2所示，為便于比較，將在圖1中普通擴(kuò)散屏位置處用一個裝有微透鏡M陣列的屏幕44取代。每一塊微透鏡M將入射光線會聚到接近透鏡陣列平面的焦點(diǎn)上。于是觀察者可以把透鏡陣列看成是一個漫散射面。這樣一個光學(xué)系統(tǒng)將一個LCD或CRT電視顯象屏幕上的圖象放大呈現(xiàn)在微透鏡屏幕上。
應(yīng)當(dāng)知道，透鏡陣列的每一塊微透鏡可以根據(jù)其位置作成一定的形狀，使之綜合一個薄棱鏡和一個透鏡本身的功能，并且此處所使用的術(shù)語“微透鏡”和“小透鏡”打算廣義地包括這樣的有效結(jié)合。
還應(yīng)明白，微透鏡分布在屏幕所希望的視在區(qū)域里，例如如果觀看者希望電視屏幕的可視面積為13英吋見方，那么它就分布在13英吋見方的范圍里。顯示設(shè)備是這樣設(shè)計(jì)的，在工作時，從正在觀看者角度看，LCD屏幕按一個更大的比例被有效地映射到具有微透鏡陣列的屏幕上，使得屏幕上的每一點(diǎn)(或象素)在微透鏡屏幕上相應(yīng)的位置處產(chǎn)生一個相應(yīng)的點(diǎn)(或放大的象素)，這樣觀看者就看到一個放大了的LCD屏幕。
上述技術(shù)使得微透鏡的排列能產(chǎn)生一個有規(guī)律的位置排列。一個總體是有規(guī)律的透鏡陣列不會在看到的圖象中產(chǎn)生任何顆粒感(或者可認(rèn)為是一種視覺“噪聲”)。由于小透鏡位置的有規(guī)律排列而造成的“顆粒度”的下降導(dǎo)致了這樣的投影圖象在噪聲和清晰度顯著的改進(jìn)，從觀眾的角度，作為體現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的顯示系統(tǒng)，具有在整個屏幕上具有均勻亮度的明亮圖象的優(yōu)點(diǎn)，而且這個圖象清晰，輪廓分明。但是，由于制作的原因，透鏡陣列排得過于規(guī)則可能會導(dǎo)致一個實(shí)際上的所謂二維低頻衍射光柵的衍射效應(yīng)〔尤其是對于彩色電視過于規(guī)則的排列還可能產(chǎn)生網(wǎng)紋干擾效應(yīng)(Moire效應(yīng))〕?？梢酝ㄟ^引入一定的有控制量的無規(guī)律性(否則是總體有規(guī)律的陣列)來避免衍射和莫爾效應(yīng)問題。也可以在微透鏡屏幕上用一個凹凸的“蛾眼”(“motheye”)表面作為微透鏡陣列的附加物，于是使得屏幕上的雜散光反射大為減少。
下面將更詳細(xì)地討論生產(chǎn)用于體現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的顯示系統(tǒng)中的微透鏡屏幕的一些方法。
在以下考慮的方法中，在微透鏡屏幕的制作過程中采用了照相技術(shù)或類似的技術(shù)。
已經(jīng)考慮了兩種方法，第一種方法的目標(biāo)是最終制成一個透明薄片層，在它的一個表面有一個形成透鏡的凸圓區(qū)域組成的陣列，這種方法被稱為凹凸圖象方法。這種方法可以采用本身是公知的技術(shù)，在該方法中，一個基片上的一層光阻材料層接受穿過某個屏的光線的選擇性曝光。第二種考慮的方法包括用可變折射率材料來制作實(shí)際上是管形或圓筒形透鏡形式的微透鏡，它們的軸垂直于或接近垂直于微透鏡的平面。下面將對這種透鏡的性質(zhì)和特征作更詳細(xì)的討論。這種方法也可以采用一種涉及將一光聚合物同樣地接受穿過某個屏的光線的選擇性曝光的方法。在這兩種考慮的方法中，一個重要的特點(diǎn)就是在所涉及的照相或準(zhǔn)照相方法中，以一種很容易實(shí)現(xiàn)的方式，在與每個微透鏡陣列的透鏡相對應(yīng)的區(qū)域上保證一個預(yù)定的曝光強(qiáng)度的變化。
聚合物材料具有可變的折射率這一點(diǎn)本身是眾所周知的，在這里是指光聚合物。于是，例如，人們知道丙烯酰胺單體的聚合作用可在光、例如激光照射下起動。于是，例如，人們知道，在光聚合物中產(chǎn)生全息信息可以采用以下的方法，將一層由一個相應(yīng)的單體分散在一種合適的粘合劑中并涂到一個基片上，對該涂層進(jìn)行曝光，該單體聚合的程度取決于該涂層中的光強(qiáng)度。由于該材料的折射率隨聚合作用的程度而變化，因而通過在光照過程中控制局部照射強(qiáng)度的變化就可以產(chǎn)生折射率的局部變化。具有這種特性的一種已知物質(zhì)是以丙烯酰胺單體為基礎(chǔ)的。該單體的聚合作用可由紫外光、例如UV激光照射而起動，或者通過在該單體涂層中加入一種可變色的敏感劑，使該單體借助于一個可見光激光器或其它高強(qiáng)度光源產(chǎn)生一個波長的可見光能夠進(jìn)行聚合，該敏感劑可在聚合作用后的一個漂白步驟中被接著漂白出去，或者如M.J.Jeudy和J.J.Robillard的文章“一種用于高效率記錄相位全息圖的可變折射率材料的光譜光敏作用”(“光學(xué)通訊”第13卷第1期，1975年1月)所公開的、通過在單體涂料中加入一種通過接收紫外線照射可被瞬間激活的以致能暫時吸收可見光譜中一個波長光線的光致變色敏感劑，且同時將涂層接收如激光那類波段的光線的選擇性照射來起動聚合。于是，例如如上述文獻(xiàn)所公開的那樣，可以制造出包含(在照射之前)丙烯酰胺單體、聚乙烯醇粘合劑、三乙醇胺助聚劑、二氫吲哚螺吡喃光致變色敏感劑的薄膜形式的被使用的可變折射率材料。
正如下面要討論的那樣，可以予期，假如滿足某些條件，那么每塊透鏡區(qū)域上的相應(yīng)的光敏材料的曝光程度所必需的梯度分布可以用與一個非常簡單的屏相關(guān)的衍射效應(yīng)來獲得。因此，例如可以用這樣一個屏，它實(shí)際上是一個透明屏，上面具有規(guī)則分布的許多呈圓形的完全不透明的點(diǎn)，或者相反，可以用一個不透明的、具有圓形透明孔陣列的屏。
如果我們檢查一下通過一個透明孔隙的衍射光，那么我們就能看到由于衍射的局限性將對這種方法的有效性占支配地位。
參照圖3，令y1是成象屏50的一個座標(biāo)，而y是孔隙的一個座標(biāo)?？紤]P點(diǎn)的衍射幅度，并注意到r2＝(y′-y)2+D2，則P點(diǎn)的總的衍射幅度是
∫-d2+d2Aeikrrdy]]>K＝2π/λa，其中λa是入射光在空氣中的波長。
積分的求值是十分困難的，但是通常采用的近似，將1/r移到積分號外被容易證明是有理由的。進(jìn)一步的困難是指數(shù)項(xiàng)Kr的近似。通常采用遠(yuǎn)場近似(D＞＞y，y′，d)，但這樣不會足夠精確。
首先考慮通常的遠(yuǎn)場方法，于是我們近似有r≈D 〔1+ 1/2 ((y′-y)2)/(D2) 〕通常，一個成象透鏡將被用來收集由該開口衍射的光線這實(shí)際上引入了指數(shù)項(xiàng)exp(-iky2/2f′)的一個相移，其中f1是透鏡的焦距。如果我們選取D＝f′，那么，在相位因子kr中的y的平方項(xiàng)將方便地被消除。于是，P點(diǎn)該振幅的積分變?yōu)?amp;Integral;Aeikr·eiky1/2f′dy]]>于是這個積分現(xiàn)在可以依照下式計(jì)算∫d2+d2Aeikr+iky2/2f′dy]]>=AeikD+iky′/2D∫-d2+d2eiky12[1D-1f′]e-ikyy′Ddy]]>
注意到如果D＝f′，那么棘手的指數(shù)平方項(xiàng)部分就消失，并且我們得到一個以下形式的P點(diǎn)處總的衍射振幅
其中φ＝KD+Ky′2/2D這導(dǎo)致結(jié)果為
其中SinCZ＝SinZ/Z因此，強(qiáng)度正比于振幅×振幅＊其中＊表示復(fù)共軛。當(dāng)進(jìn)行乘法運(yùn)算時，那么與φ有關(guān)的項(xiàng)就消失了，強(qiáng)度就正比于Sin C2(Kdy′/2D)這可由圖4表示出來，圖4顯示了一個狹縫典型的弗瑯荷費(fèi)(Fraunhofer)衍射的光強(qiáng)(X軸)對位置(y軸)的分布。
中間峰的寬度由下式給出Kd△y′/2D＝2u 或 △y′＝ (2Dλa)/(d)盡管嚴(yán)格來說，這個結(jié)果不應(yīng)用于近場的情況，但我們可以看到，如果△y′＝d，那么我們就必有d2≈2Dλa，這是一個衍射圖形位于幾何陰影范圍內(nèi)約束的一個近似條件。
讓我們來試一些例子。假如λa＝0.5μ。設(shè)D例如D＝100μ，那么一個寬度為d≈2.100 ·0.5]]>≈10μ的縫隙應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生一個一致性的結(jié)果。這個計(jì)算有助于給出一個最小寬度縫隙的標(biāo)準(zhǔn)，這個最小寬度縫隙可以給出一個局限于一種幾何陰影內(nèi)的衍射圖形。顯然這個計(jì)算從嚴(yán)格的意義上講是不精確的，因?yàn)樗跊]有把握的情況下應(yīng)用了遠(yuǎn)場理論。
因此，事實(shí)上，我們需要一個更嚴(yán)格的小范圍衍射理論以說明系統(tǒng)可能的性能。這導(dǎo)致我們采用與已研究的弗瑯荷費(fèi)情形有區(qū)別的菲涅耳衍射理論。
事實(shí)上，菲涅耳近似仍然只是一種對于真值部分嚴(yán)格的近似，但是它比已使用的方法要嚴(yán)格得多。提高精度的方法可以簡單地通過在r半徑因子的展開式中包括進(jìn)額外項(xiàng)而獲得。記得在前面的情形中我們通過引入一個透鏡的技巧方便地將y2消去。現(xiàn)在讓我們撇開透鏡來研究如圖5所示的在一個邊緣處的菲涅耳衍射問題，圖5所示的是一個不透明屏55的邊緣53處的菲涅耳衍射情形，該不透明屏55置于接收表面57上方L距離處，光線向下射到表面57和屏55上，曲線是表示相對于邊緣53沿表面57的水平方向上表面57上的光強(qiáng)分布圖。
注意到在屏以下的幾何陰影內(nèi)的區(qū)域中觀察平面上的光強(qiáng)并不是急劇下降的。在“陰影”的邊緣處光強(qiáng)是未被阻礙值的四分之一，而就在陰影邊緣(圖中垂直虛線所示)以外，光強(qiáng)度上升到未被阻礙值(圖中水平虛線所示)的1.37倍。由下式定義變量V=y2λ aL]]>其中y是觀察平面中的實(shí)際長度座標(biāo)。當(dāng)V≈-3時，衍射分布圖實(shí)際上在陰影中衰弱為零，這使得我們可以以一個粗略的方式來估計(jì)這個問題。因此，我們預(yù)料會要求如下所示一個不透明屏應(yīng)當(dāng)具有長度V≈6，以得到獨(dú)立的邊緣效應(yīng)。圖6是一個類似于圖5的圖，但顯示了在一個不透明長條65后面的照射強(qiáng)度的梯度分布。如果不透明長條的長度足夠長，那將有一個明顯的幾何陰影區(qū)域。
比如，象前面一樣選取L＝100μ，λ＝0.5μ，我們有y＝6502]]>或y≈30μ由于十分依賴于記錄媒質(zhì)精確的感光特性，因此，一個曝光量的“閾值”意味著預(yù)料得到的邊緣增強(qiáng)。在采用可變折射率光聚合物技術(shù)中，光聚合物的實(shí)時特性可能是重要的。因此，菲涅耳衍射圖的最明亮部分可以在記錄期間吸收更多的光線到光聚合物上。
圖7所示的是一個光聚合物。一個假定的△n(y軸)相對于曝光量(X軸)的變化情況。圖中垂直虛線所示的閾值能量意味著低于這個曝光水平將不起作用。
這個模型和前面弗瑯荷費(fèi)情形中所使用的模型得出這樣的結(jié)論，即對于100μ的距離因子，一個適當(dāng)?shù)恼系K或孔的尺寸是在10至30微米之間。這個對于一個圓點(diǎn)圓柱對稱的一般性結(jié)論并不被看成產(chǎn)生數(shù)目上引人注目的變化。
如果我們能夠達(dá)到比100μ更好的近似，那么能夠采用更小的障礙尺寸。我們得出結(jié)論，通過一個孔徑的曝光，在足夠大的孔徑或足夠小的波長下將產(chǎn)生相似尺寸的照射圖案。
現(xiàn)在我們來更詳細(xì)地考慮采用可變折射率光聚合物的技術(shù)，以下的討論表明以上的考慮是怎樣實(shí)施于采用對一種介質(zhì)進(jìn)行變化的曝光來制作GRIN透鏡的，這種介質(zhì)對光線的曝光后呈現(xiàn)出變化的折射率。讓我們先看一下一個普通的GRIN(梯度折射率)透鏡。
圖8所示的是一個典型的GRIN透鏡結(jié)構(gòu)。GRIN透鏡的參數(shù)由以下規(guī)定折射率通常設(shè)計(jì)成隨r成拋物線分布，于是nr＝n00〔1- (A)/2 r2〕這里n00是光軸上的折射率，而A是一個正常數(shù)。注意到折射率隨r減小，于是在接觸記錄情況下，用一個光聚合物模擬這個效應(yīng)，將需要一個透明孔的屏幕，而不是一個阻塞點(diǎn)的屏。
我們定義傾斜角(Pitch)P如下P＝2π/A]]>如果我們已知傾斜角，就能夠通過透鏡長度的變化來確定各種成象特性。
圖9所示是用GRIN透鏡的各種成象條件。
在考慮的由一個在光聚合物層上形成這樣的透鏡陣列的情況下，改變每塊GRIN透鏡的長度相當(dāng)于改變成象介質(zhì)的厚度?？磮D，我們可能要規(guī)定L＝0.25P。將rmax規(guī)定等于d/2，其中d是透鏡的直徑，那么我們有n邊緣＝n軸〔1- (Ad2)/8 〕現(xiàn)在讓我們定義△n＝n軸-n邊緣，我們近似有(△n)/(n) = (Ad2)/8其中n是折射率的平均值?，F(xiàn)在讓我們來計(jì)算一個例子，例如L＝50μ(介質(zhì)的層厚)，d＝10μ，n＝1.6，現(xiàn)在來找出得到正確的長度對傾斜角之比所要求的△n值。顯然，由于L＝0.25P＝(0.25)2π/A，我們有△nn=d28(0.25 × 2π)2L2=1008·(0.25 ×2π)2(50)2=0.012]]>由此給出△n≈0.02。這個結(jié)果在實(shí)際中例如采用象聚丙烯酰胺(見下面)這樣的光聚合物做的厚層是可以獲得的。
這里討論的折衷方案導(dǎo)致這種小透鏡問題的一個可能的適合的解。透鏡層應(yīng)當(dāng)有與取得的△n相一致的足夠厚度。對于L＝0.25P的條件，接收角由下式給出θ＝Sin-1〔n軸(d)/2A]]>〕＝Sin-1〔1.6 (2n(0.25))/2 · 1/5 〕＝Sin-1〔0.25〕＝14°30′這決定了在其接收表面上的小透鏡的角度接收條件。
圖10表示了接收角的概念，它規(guī)定了入射光線經(jīng)歷全內(nèi)反射或全“捕獲”的角度范圍。
等效焦距是f =1n 軸ASin 〔LA〕]]>但L＝0.25P＝(0.25)2n/A]]>
讓我們來估算二次常數(shù)A，并與一個可從商業(yè)上得到的SELFOC透鏡作一個比較。對于我們的情況，我們有A=8△nnd2=8 · (0.02)1.6 · 100=0.032]]>微米＝32mm這可與固態(tài)加工型微透鏡，例如L＝5.2mm，d＝2.0mm，A]]>＝0.3/mm作一比較。值得注意的不同點(diǎn)是，與折射率比較低的固態(tài)加工的情形相比，我們能制造用光學(xué)方法產(chǎn)生的非常高的折射率梯度。
我們可以看到，如果要求一個較寬的接收角，那么由于θ＝Sim-1〔n軸(d)/2A]]>〕＝Sin-1〔n軸(d)/2 · (2n(0.25))/(L) 〕則我們唯一的選擇是減小L，但我們只有在增加△n時才能做到這一點(diǎn)。
讓我們簡要地看一下將△n增加到0.1的結(jié)果。將d保持在10μ值上，我們可以按比率0.02/0.1]]>減小L，給出一個長度L′＝0.44×50μ＝22μ。這就使得接收角增加到θ′＝Sin-1〔n軸(d)/2 (2n(0.25))/(L′) 〕＝Sin-1〔1.6 (2n(0.25))/2 · 10/22 〕＝45°這一效果是驚人的。
假如采取以下方法也可以得到△n值的顯著增加在最初的對紫外線成象曝光之后，將聚合物加熱到它的軟化溫度一段時間，然后使它冷卻并對紫外光進(jìn)行最后的覆蓋曝光。加熱增加了聚合物/單體層中的分子遷移性，使得單體分子向最初曝光和聚合的區(qū)域遷移，于是這就增強(qiáng)了由最初曝光開始的這種過程。
在這一部分我們概略指出的小透鏡成型被限制于知道的拋物線折射率分布的情況，但是顯然，這些方法對于具有任意折射率分布的更一般的情況也是適用的。很明顯，我們只需要建立一些圓筒形的元件，它的折射率朝著中心方向增加以模擬這里討論的結(jié)果。非拋物線型分布的一般情況從理論上看是困難的，但可以用數(shù)值計(jì)算來進(jìn)行處理。
顯然，小透鏡問題的微妙部分在于實(shí)現(xiàn)會聚效應(yīng)。注意到折射率不具有一定的分布就不會產(chǎn)生這種會聚效應(yīng)。因此，在透鏡邊緣的折射率的一個階躍不連續(xù)性將只能模擬一根光學(xué)纖維的情況，而接收角和出射角的分布將相應(yīng)地被限制。
我們最后得出結(jié)論，繞一個諸如一個小點(diǎn)這樣的不透明屏(不論是直接的或是互補(bǔ)的形式)的衍射導(dǎo)致一種具有近似象這里描述型式的圓柱面透鏡密碼的衍射圖案。例如，一個正態(tài)高斯分布的激光光束可用于使用一個掃描器進(jìn)行單點(diǎn)記錄的情形中。
如上所指出的那樣，我們提出了采用基于通過一個透明點(diǎn)的掩膜屏對一種材料進(jìn)行曝光的技術(shù)來制造這種微透鏡屏幕，該材料對于空間上的光強(qiáng)度變化的曝光會呈現(xiàn)出變化的折射率。
所提出的這個方案使用一個特別準(zhǔn)備的點(diǎn)陣屏幕，該屏是由直接的底片來制作并復(fù)制成正片得到的。這種屏，例如可以由一種近似2微米乳膠厚度的Eastmankodak圖象藝術(shù)感光板制成。喜歡用這種材料是由于它是正色片而且薄到足以避免屏層內(nèi)的衍射作用。我們可以預(yù)料，在生產(chǎn)過程中，穿過屏照射在聚合物表面的照射將由一個uv激光器(象激發(fā)物)所發(fā)出的光來實(shí)現(xiàn)。借助于這樣一個光源，我們可以期望得到許多瓦特功率的u.v和獲得快速和有效的曝光能力。u.v.的另一大優(yōu)點(diǎn)是由于其較短的波長(約等于200nm)而減少了衍射效應(yīng)。
照射可以借助于一個對準(zhǔn)系統(tǒng)或者可以使用一個如圖11中所示的掃描器來進(jìn)行，圖中激光光束60被對準(zhǔn)到反射鏡62上，反射鏡62被移動以使得被反射的激光光束穿過具有點(diǎn)的掩膜66掃描要被選擇性聚合的單體層64。
喜歡將紫外線用于光聚合物前體的聚合作用是因?yàn)檫@種聚合物/單體天然對紫外線的敏感性。因此不需要任何敏化染料，結(jié)果可以制造出一個絕對透明的聚合物層，而不需要經(jīng)過任何漂白步驟把敏化劑漂白出去。
以上所說的聚合物嚴(yán)格地說只是一種在本發(fā)明的方法中產(chǎn)生出微透鏡陣列的成象曝光之后的聚合物。
這種材料最初是以一種單體形式，它包括有一種粘性流體，將它作為一種涂料涂到一個支承基片上，用紫外線對所希望的帶孔掩膜曝光一段時間，結(jié)果在被照射的區(qū)域中開始發(fā)生聚合作用，同時單體中的分子就向這些聚合區(qū)域遷移。接著，整個涂層都對紫外線進(jìn)行“覆蓋”照射，使剩余的材料聚合。
注意到在照射幾何學(xué)中，導(dǎo)引輻射光線的到達(dá)角是可能的，因此可以如圖12示意畫出的那樣，根據(jù)小透鏡70按照它們在屏72表面的位置發(fā)生傾斜。
將凈的光學(xué)定向性引入到屏幕中是這種方案中的一個有趣的可能的變化。
我們也可以設(shè)想將沒有一定分布型式的點(diǎn)屏與具有一定分布形式的點(diǎn)陣屏幕接觸在一起，也可能產(chǎn)生不存在輝點(diǎn)的光強(qiáng)分布，例如，如圖13所示，其中標(biāo)號74表示一個模擬的玻璃纖維屏幕(其中纖維垂直于屏幕的表面，從其中一個面到另一個面延伸)與一個有一定分布的梯度折射率的微透鏡屏幕相接觸，兩個屏幕都以聚合物形式被形成。如圖中78所示的那樣，對像光線80這樣傾斜射到屏幕74上的光線的引導(dǎo)是通過屏幕74中各個單元或模擬光學(xué)膜片內(nèi)該射線的全內(nèi)射實(shí)現(xiàn)的。
注意到在一切輻射幾何學(xué)中，光線的方向是重要的。接觸系統(tǒng)的漫散照射將導(dǎo)致該微透鏡象沿該成象介質(zhì)深度方向上的雜亂。
有必要來研究光聚合物層與通過它光聚合物層被曝光的屏蔽之間的緊密接觸問題，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是該聚合物可以以粘性單體形式粘附在該掩膜屏上。輻射然后將使聚合物交聯(lián)，并產(chǎn)生一層有粘性的脫落層，它可以被轉(zhuǎn)移到一個剛性的透明基片上。這種自身有粘性的特點(diǎn)具有很大的優(yōu)點(diǎn)。
可以設(shè)想生產(chǎn)線的方式制造微透鏡屏幕，可以采用環(huán)形的基片，例如以輸送機(jī)皮帶形式的光滑的塑料薄片，該薄片上面涂有單體材料，在該皮帶工作運(yùn)行的上游端，這個皮帶在一個掃描紫外線激器的下方接續(xù)地經(jīng)過，借助于該激光器在它向前傳送時，在該材料表面上，各個“微透鏡”區(qū)域?qū)⒁粋€接一個地被照射，在此之后，可在經(jīng)過一個無源區(qū)域之后，傳輸機(jī)使得每一個曝光過的“微透鏡”區(qū)域“固化”一段時間，接著經(jīng)過一個加熱爐把該材料加熱到100℃附近，再經(jīng)過一個冷卻段使材料冷卻下來，然后經(jīng)過一個進(jìn)行“覆蓋”曝光的紫外線輻射區(qū)域使其余的單體聚合，最后隨皮帶傳送到一個工作站，在那里該聚合物被從基片上剝下，并被橫向地切割成分離的長方形的聚合物薄片，形成各個微透鏡屏幕。
如果需要，聚合物可以被夾在上、下兩層透明塑料之間，既是為了對聚合物起保護(hù)作用，也是為了保密，避免企圖未經(jīng)許可復(fù)制該微透鏡陣列而對聚合物表面輪廓進(jìn)行的分析。
更具體地說，未經(jīng)曝光的流體單體可以在對紫外光線曝光之前夾在這樣的透明薄片中間，接著進(jìn)行聚合，或者，作為另一種選擇，組成微透鏡的經(jīng)過曝光的聚合物薄片可以被夾在這樣的塑料薄片中間，例如在曝光和聚合作用之后在其中加入一種透明粘合介質(zhì)。
適合用在實(shí)施本發(fā)明的光聚合物是可以得到的，它具有疏水性這個額外的優(yōu)點(diǎn)，并且在聚合過的形式下，在普通家庭環(huán)境條件下具有良好的穩(wěn)定性，因此在制造過程中不需要嚴(yán)格地保持受控制的環(huán)境條件以及不需要在處理過程中采用額外的防護(hù)措施，也不需要提供附加的保護(hù)層(盡管如上面所指出的，可能由于其它原因會采用這些保護(hù)層)。
在另一個制造含有形成傳統(tǒng)形式屏幕凹凸結(jié)構(gòu)的微透鏡的方法中，一個合適的可變形的材料(如軟金屬)作成的原模片被設(shè)置的一臺壓印設(shè)備掃描，每一次驅(qū)動都在模片表面形成一個(相當(dāng)于形成單獨(dú)一個微透鏡的)互補(bǔ)的下凹，這種掃描通過壓印設(shè)備和/或模片的轉(zhuǎn)位運(yùn)動實(shí)現(xiàn)，在每一步上，壓印設(shè)備被驅(qū)動。該壓印設(shè)備可以采用一個小金剛石的形式，它有一個適當(dāng)成形的端部(例如，若模片要形成一個負(fù)的微透鏡屏幕表面，則它具有一個凸的部分球面的表面，如果模片要形成一個“正”的微透鏡屏幕表面，則它要具有一個凹的部分球面的表面)該金剛石被安裝在一個壓電電機(jī)元件上，安置成通過電方式被驅(qū)動，將該金剛石工具沖入到模片材料中。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用以下措施可以獲得改進(jìn)的效果微透鏡屏幕的安置使得對于穿過它的光線有一個予先確定的角度偏差，并使觀看者位于該被偏離的光線路程上，這樣使得觀看者在相對于該投影系統(tǒng)主光軸一個較大的角度處觀看屏幕。這一點(diǎn)最好通過如下方法獲得將微透鏡屏幕相對于該投影系統(tǒng)的主光軸略微地傾斜，使得微透鏡被安置得具有所希望的角度偏離。如上所述，如果采用了梯度折射率透鏡(GRINS)，這種角度偏離將自動地由透鏡的性質(zhì)產(chǎn)生，這種透鏡的作用在某些方面象纖維光學(xué)設(shè)備。在這樣一個系統(tǒng)中，微透鏡屏幕相對于投影系統(tǒng)的光軸和觀看者的視線均有傾斜。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，前面所述的這種相對于投影系統(tǒng)光軸/觀看者視線的偏離能顯著地減少衍射效應(yīng)，提供被觀看圖象更好的色彩平衡并大體上消除微透鏡屏幕正面的光線散射，得到改進(jìn)的對比度和色彩飽和度。應(yīng)當(dāng)知道，微透鏡屏幕相對光學(xué)投影系統(tǒng)的主光軸的傾斜可能表示了一個“梯形畸復(fù)”(“Keystone”)效應(yīng)問題，但是，這個問題可以通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)光學(xué)系統(tǒng)或通過LCD屏幕的補(bǔ)償構(gòu)形，或適合于一個CRT顯象管的電子的或結(jié)構(gòu)上的補(bǔ)償措施來消除。
上面所討論的微透鏡屏幕設(shè)備的一個變形可以用來產(chǎn)生避免已有系統(tǒng)的某些缺點(diǎn)的一個三維圖象顯示系統(tǒng)。于是，可能提供這樣一個三維圖象的顯示系統(tǒng)，它包含有一個由微透鏡陣列(如本發(fā)明所限定的)構(gòu)成的光透射屏幕、一個光學(xué)成象源或兩個相應(yīng)的光學(xué)成象源、以及將所說源的光線從屏幕的一側(cè)引導(dǎo)到屏幕上的裝置。顯示系統(tǒng)的安置方式使得當(dāng)一個人用雙眼從屏幕的另一側(cè)觀看該屏幕，并使其眼睛處于預(yù)定的位置或與屏幕成預(yù)定角度方向時，他的一只眼睛接收來自由該陣列中每隔一個的微透鏡組成的第一組所說微透鏡的光線，而另一只眼睛接收來自由該陣列中其余的透鏡所組成的第二組、即互補(bǔ)組微透鏡的光線，顯示系統(tǒng)的安置方式使得觀看者的每只眼睛因此看到在該屏幕范圍內(nèi)的上述兩個象中相應(yīng)的一個，因此，當(dāng)所述兩個象與一個可被觀看該三維景物的人的雙眼感覺到的相應(yīng)的象相吻合時，觀看具有微透鏡陣列屏幕的人就可以在陣列區(qū)域內(nèi)感覺到一個相應(yīng)的三維圖象。
在本發(fā)明的一個包含這些特征的實(shí)施例中，兩個象源由相應(yīng)的用在微型電視接收機(jī)中這類的液晶顯示屏幕組成，這種液晶顯示屏幕由大量的被稱為象素的各個顯示單元組成。這兩個LCD屏幕基本上安置在同一平面內(nèi)，兩者緊挨著，并且面向同一方向。在這兩個屏幕之前相距一段間隔處平行地安置著一個由微透鏡或小透鏡陣列所組成的光透射屏幕，該陣列片與屏幕被固定在彼此相關(guān)聯(lián)的位置上。所述的透光屏幕被居中于和垂直于一條通過兩個LCD屏幕的中心軸，兩個LCD屏幕對于這條中心軸是對稱安置的。陣列中的微透鏡或小透鏡被制成這樣的形狀，使得它們每一個典型地結(jié)合了一個薄棱鏡和一個透鏡本身的功能。也就是說，每一個小透鏡具有一個相應(yīng)的角度偏轉(zhuǎn)的特征，這種偏轉(zhuǎn)允許光線穿過透鏡。于是可將每一個小透鏡說成是用相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行“編碼”。此外，可以將陣列中的交錯的微透鏡有效地分配給不同的兩個LCD屏幕，以使得分配給第一個LCD屏幕、并包括陣列中每隔一個微透鏡的那些微透鏡稱為第一組，而將分配給第二個LCD屏幕、并包括陣列中剩余的夾在中間的微透鏡稱為第二組。一個觀看者從一個預(yù)定的位置用其雙眼理想地觀看該微透鏡屏幕，使得他正在看到微透鏡屏的“正方形顯示”，并正正面對著屏幕，在與屏幕隔開一個預(yù)定的距離位置上。這個位置被稱為理想的觀看位置。第一組微透鏡屏幕的安置方式使得它將來自第一個LCD屏幕相應(yīng)部分的光線引導(dǎo)到位于理想觀看位置的觀看者的右眼，而第二組微透鏡的安置方式使得它將來自第二個LCD屏幕的光線引導(dǎo)到位于理想觀看位置的觀看者的左眼。以另一種方式來表示，這些小透鏡的安置具有一定的角度編碼，相對于中心軸要么向左偏一個小角度，要么向右偏一個小角度，于是來自兩個LCD屏幕的視頻圖象加到該微透鏡陣列上的方式使得它們以一個與微透鏡編碼相同的偏轉(zhuǎn)角度到達(dá)該微透鏡屏幕，第一組和第二組微透鏡最好分別被排成使得幾乎沒有什么光線被引導(dǎo)到處于理想觀看位置的觀看者的左眼和右眼中。這可以容易地例如通過使得呈現(xiàn)到處于理想觀看位置的觀看者的左眼和右眼相應(yīng)的光學(xué)象是無光澤暗區(qū)域的光學(xué)象來做到。這可以由不同的方法實(shí)現(xiàn)，例如用一個插入LCD屏幕和微透鏡屏幕之間的陰影掩膜使得只有處在特定的適當(dāng)方向的微透鏡才能接收到中心軸右方或左方相應(yīng)的入射圖象。
由于上述的安排，使得位于理想觀看位置的觀看者的每只眼睛將在由微透鏡屏幕的邊緣限定的視野區(qū)域內(nèi)接收到圖象，其右眼看到第一個LCD屏幕的圖象，左眼看到第二個LCD屏幕的圖象。如果由第一個和第二個LCD屏幕呈現(xiàn)的圖象與觀看一個三維物體或景象的觀看者的兩眼所接收的圖象相吻合，那么微透鏡屏幕的觀看者將感覺到相應(yīng)的一個原象或原景三維圖象的再現(xiàn)。因此，如果第一個和第二個LCD屏幕的圖象內(nèi)容基本上與例如由一個正在掃描一三維景物的雙鏡頭攝象機(jī)相應(yīng)的第一個和第二個電視攝象鏡頭得到的圖象相一致，該第一和第二個電視攝象鏡頭安排得與人頭上兩只眼睛具有一樣的方式，那么，那個景象將被處于理想觀看位置觀看再現(xiàn)圖象的觀看者實(shí)際上以三維形式看到。
應(yīng)當(dāng)知道，微透鏡屏幕可以同時對觀看者的兩只眼睛呈現(xiàn)兩個LCD屏幕的放大了的象。
當(dāng)然，還要知道，上述的三維系統(tǒng)并不限于采用微型或LCD屏幕作為象源的裝置。例如，這兩個象源也可以用兩個陰極射線管或兩個電影放映屏幕來代替。然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以所建議的方式使用LCD屏幕將使得LCD屏幕與微透鏡屏幕一起可以組成一個不比常規(guī)的電視接收機(jī)來得大的整體。
同時，為了描述上的方便，顯示系統(tǒng)的工作已經(jīng)利用處于一個相對于屏幕的預(yù)定的位置和預(yù)定方向的觀看者進(jìn)行了描述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，從光學(xué)的角度和精神物理學(xué)的角度考慮，這種所希望的三維圖象的效果將在理想觀看位置周圍的一個比較寬的位置范圍內(nèi)感覺到，同時，在理想位置外的一些觀察位置上，可能有某些缺陷，例如二個圖象中的一幅或另一幅看不完全，或者觀看者的一只眼睛或另一只眼睛看到兩個象的相對被替換的部分，這樣一些缺陷不一定對效果的可接受性產(chǎn)生特別的損害。
同時，為了描述上的方便，已經(jīng)將LCD屏幕說成是直接位于微透鏡屏幕的后面一段距離處，并對該微透鏡屏幕的中心軸對稱。在實(shí)踐中，也可以在每一個LCD屏幕與微透鏡屏幕之間插入一個相應(yīng)的采用了光線彎折技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，例如由反射鏡或內(nèi)反射棱鏡或其類似物，和/或透鏡、曲面反射鏡等組成，由此LCD屏幕相對于微透鏡屏幕只是看起來處在規(guī)定的位置上。這樣一些光線彎折技術(shù)給LCD屏幕的位置提供了更大的范圍(例如符合其它的設(shè)計(jì)要求)，使得該設(shè)備在前后尺度上做得很緊湊。
具有由第二個和第一個LCD屏幕或其等同物產(chǎn)生的完全的左象和右象是不必要的。例如，可能從第一個象源上得到80%的圖象內(nèi)容，而從另一個象源得到20%，在不使用陰影掩膜下，仍可能得到一個三維效果的圖象。
在本發(fā)明的另一個變型中，前述的GRIN微透鏡屏幕可以在其一個表面上加一個反射層，例如通過制作其上有一層在進(jìn)行光聚合作用之前最初加于其上的單體層、在成品中支承該光聚合物層的金屬萡或金屬化聚酯基片的方法。在這個變型中，光學(xué)成象系統(tǒng)安置成可以引導(dǎo)來自LCD或CRT物屏的光線穿過光聚合物/微透鏡層，并被金屬或金屬化層反射并再一次穿過微透鏡層而朝向觀看者。在這種安置方式中，盡管屏幕作為一個整體起一個反射屏幕或正投影屏幕的作用，但是如在前述的實(shí)施例中那樣，由于光透射聚合物層中的梯度折射率微透鏡陣列會產(chǎn)生漫散射效應(yīng)，并且這里對該屏幕所使用的“光透射”這個名詞應(yīng)當(dāng)被解釋成包括這最后一個所述的變型。
應(yīng)當(dāng)指出的是，在采用上述的GRIN微透鏡的微透鏡屏幕中，屏幕的顯示效應(yīng)是一個體積效應(yīng)，而不是一個表面效應(yīng)，并且事實(shí)上，屏幕的表面最好越平越好。因?yàn)樗岢龅奈⑼哥R屏幕采用了在較厚層中的體積效應(yīng)，因此可能除了直接模擬普通透鏡的功能外，還例如像圖12和圖13所提到的那樣利用了“光管”效應(yīng)以保證所希望的效果。
雖然上述實(shí)施例涉及用電視顯象管或LCD屏幕作為物屏的電視顯示系統(tǒng)，該物屏上的圖象被投影到微透鏡屏幕上，但是人們也不難理解本發(fā)明也同樣可以用于諸如縮微膠片顯象器、幻燈片觀看器、計(jì)算機(jī)或其它用途的電視顯示設(shè)備等的類似顯示系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一個顯示系統(tǒng)，包括有一個物屏、一個象屏和一個將物屏上的圖象投影到象屏上的投影系統(tǒng)，其中象屏由一層整體的具有梯度折射率分布的微透鏡陣列形成的透明材料片組成。
2.一個三維圖象顯示系統(tǒng)，包括有一個由這里規(guī)定的微透鏡陣列構(gòu)成的一層透明材料薄片組成的象屏、一個象源或兩個光學(xué)象相應(yīng)的源、以及將所說源的光線引導(dǎo)到所說屏幕上的裝置，顯示系統(tǒng)的安置方式使得當(dāng)一個人用雙眼觀看屏幕、并使其眼睛處于預(yù)定的位置或與該屏幕成預(yù)定角度方向時，他的一只眼睛接收到來自由該陣列中每隔一個微透鏡所組成的第一組微透鏡的光線，而另一只眼睛接收到來自由該陣列中剩余透鏡組成的第二組，即互補(bǔ)組微透鏡的光線，顯示系統(tǒng)的安置方式使得觀看者的每只眼睛因此看到該屏幕范圍內(nèi)的上述兩個象中相應(yīng)的一個，因此，當(dāng)所述兩個象與一個三維景物(可被觀看這個景物的人的雙眼感覺到的)相應(yīng)的象吻合時，觀看具有微透鏡陣列屏幕的人就可以在陣列區(qū)域內(nèi)看到一個相應(yīng)的三維圖象。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一個顯示系統(tǒng)，其中所說透明材料薄片由一個整體的具有梯度折射率分布的微透鏡陣列的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3的一個顯示系統(tǒng)，其中該象屏是一個后投影屏幕。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3的一個顯示系統(tǒng)，其中該象屏包括有其一個表面附著有一反射薄層的所說透明材料薄片，該投影系統(tǒng)安置成使光線投射穿過該透明材料薄片到所說反射層上，并被反射穿回所說透明材料薄片，由此使所說象屏是一個前投影屏幕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求3的一個顯示系統(tǒng)，其中所說透明材料是一種透明光聚合物，在這個透明光聚合物中，已經(jīng)通過對可光聚合的樹脂進(jìn)行選擇性梯度聚合作用，形成所說整體的具有梯度折射率分布的透鏡，這樣的聚合作用可以通過在制作過程中該薄片對其上方光源的曝光量的相應(yīng)變化來實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的一個顯示系統(tǒng)，其中所說透明塑料由聚丙烯酰胺構(gòu)成。
8.一種制造權(quán)利要求4的顯示系統(tǒng)的方法，包括以下步驟，設(shè)置所說物屏或二個物屏，設(shè)置所說投影系統(tǒng)，通過以下工藝提供所說的背投影屏幕，該工藝包括將一層可光聚合的單體施加到一基片上，并選擇性地將所說層在一個點(diǎn)陣列的每一點(diǎn)處經(jīng)受位于該層表面上方的紫外線的曝光，使得該單體選擇性地以在一個相應(yīng)陣列中提供具有所述梯度折射率透鏡的方式聚合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的一種方法，其中在該工藝中，所說層在所述點(diǎn)處的選擇性曝光、接著進(jìn)行選擇性聚合之后，對該層進(jìn)行紫外線的覆蓋曝光。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9的一種方法，其中在對紫外線選擇性曝光之后和任何覆蓋曝光之前，所說層的材料被加熱到它的軟化溫度，以增加該微透鏡區(qū)域內(nèi)的折射率變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求8到10的任何一個權(quán)利要求的一種方法，其中所說選擇性曝光是通過將該薄層接受通過一個掩膜的紫外線的照射實(shí)現(xiàn)的，該掩膜由一個具有完全不透明點(diǎn)陣的透明屏構(gòu)成或者由一個具有透明孔陣列的不透明的屏構(gòu)成，其中衍射效應(yīng)用來在每一微透鏡范圍里產(chǎn)生一個所希望的曝光量的變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求6到8的任何一個權(quán)利要求的一種方法，其中所說選擇性曝光是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的將所說薄層的各個微透鏡區(qū)域一個接一個地接受一個紫外激光器光束的曝光，并利用該激光光束橫截面上光強(qiáng)度的變化以產(chǎn)生在每個微透鏡區(qū)域里的曝光量的變化。
全文摘要
一個電視或其它的顯示系統(tǒng)，包括有一個光學(xué)系統(tǒng)，用于將一個顯象管或等同物的一個放大象投射到一個象屏上，該象屏是一個由微透鏡陣列構(gòu)成的光透射屏幕。
文檔編號G03B21/62GK1031609SQ8810425
公開日1989年3月8日 申請日期1988年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1987年6月1日
發(fā)明者威廉·內(nèi)維爾·希頓·約翰遜, N·J·菲利普斯, 布魯斯·L·J·麥雷, 史蒂夫·多恩, 維森特·多納霍格 申請人:科學(xué)應(yīng)用研究有限公司