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背投电视光学屏幕技术动向

导读: 由于背投电视具备成本与影像画质等优势,因此一般认为未来屏幕视角与背投电视薄型化的改善,背投电视可望凌驾电浆电视、液晶电视,同时在大画面平面电视领域中占有一席之地。本文将介绍背投电视用光学屏幕的动作原理与技术动向。

由于背投电视具备成本与影像画质等优势,因此一般认为未来屏幕视角与背投电视薄型化的改善,背投电视可望凌驾电浆电视、液晶电视,同时在大画面平面电视领域中占有一席之地。本文将介绍背投电视用光学屏幕的动作原理与技术动向。

RP-TV屏幕的要求特性

大型RP-TV屏幕的要求特性分别如下:

(1)可以忠实表现影像。电视主要功能是显示影像信息,因此属于终端显示组件的屏幕,必需忠实表现预期的影像画质;

(2)影像光线可以无衰减穿透屏幕,有效遮断外乱光。相较于在黑暗环境中使用的前投式投影机,RP-TV通常是在明亮室内空间内使用,屏幕表面的室内外乱光往往成为影像对比降低主要原因,因此要求RP-TV屏幕可以吸收室内的外乱光,只让影像光线无障碍穿透屏幕;

(3)可以有效扩散影像光线。RP-TV屏幕主要功能是使投影机投射的影像光线均匀扩散,然而实际上RP-TV受限于灯泡消费电力等考虑,通常影像本身的亮度都非常暗,因此要求屏幕可以大范围扩散影像光线。

 RP-TV屏幕的动作原理

(图一)是典型MD方式(Micro Display;它是指DLP、HTPS与LCOS等微型成像组件构成的投影光机引擎而言)RP-TV用屏幕的构造,如图一所示从背面投射的影像光线,通过Fresnel Lens之后收敛成平行光再入射至屏幕,由于RP-TV用屏幕设有珠粒状镜片数组,所以又称为珠粒状屏幕(Lenticular Screen)。

珠粒状屏幕是由珠状镜片、遮光部与扩散部构成,珠状镜片部的各镜片可以使入射的影像光线集光,遮光部的栅栏状开口设在各珠粒状镜片的集光位置上。
 
                     
                                      (图一) 背投电视用光学屏幕的结构
 
如(图二)所示从Lenticular Lens入射影像光线在镜片焦点附近集光,由于遮光部的开口设于各镜片的集光位置,因此影像光线在遮光部不会被遮蔽可以顺利穿透屏幕,行进方向未定的外乱光线则被遮光部吸收,由此可知RP-TV用屏幕是利用镜片与遮光部的特性,达成影像光线穿透外乱光被吸收的目的。

如上所述RP-TV用屏幕通常是在明亮室内环境中使用,对RP-TV屏幕而言阻断室内外乱光提高影像对比(Contrast)非常重要。影像光线穿透时不会被遮光部遮蔽的前提下,通常开口部的面积越小,亦即遮光部的面积比率越大,遮蔽外乱光的能力越强,影像对比也越高。

Lenticular Lens除了可以收敛遮光部开口位置的光线之外,它还会将入射的影像光线扩散到水平方向,此外Lenticular Lens为了支持高分辨率(HD)影像,因此要求非常微细的镜片间距(Lens Pitch),因为粗大的镜片间距可能会导致Fresnel Lens、Lenticular Lens与投影影像画素出现波纹。
至于扩散部可以使影像光线朝水平方向扩散,不过极端强调扩散性极易造成对比、辉度与影像分辨率降低等后果,因此扩散性的最佳化往往成为屏幕设计上重点之一。
     
                                         (图二) 光学屏幕的动作原理
 
如(图三)(a)、(b)所示RP-TV可以分成RGB三色CRT投影鎗投影的CRT背投电视,以及MD方式背投电视两种,CRT背投电视具历史有悠久、低制作成本、技术成熟等优点,体积笨重、观视范围狭窄则是它的主要缺点;相较之下DLP、HTPS、LCOS等微型成像组件构成的RP-TV,不论是外型体积、影像改善裕度、制作成本都具有极佳的竞争优势,一般认为未来可望取代CRT背投电视成为市场主流。
 
                   
                              (图三) (a)CRT背投电视的结构;(b)MD背投电视的结构
 
(图四)(a)是传统CRT背投电视屏幕的动作特性图,由图可知RGB各影像光线分别从相异方向投射到屏幕,当影像光线从屏幕出射时必需进行光线整合,因此观视方向的屏幕表面通常会设置Lenticular Lens;图四(b)是MD方式背投电视屏幕的动作特性图,由图可知它使用MD方式投影机投射影像,所以观视方向的屏幕表面不需设置Lenticular Lens。
 
          
                                                                  (图四) CRT与MD背投屏幕的比较
 
事实上早期的MD方式RP-TV都是使用CRT背投电视屏幕,因此始终无法充分发挥MD方式RP-TV的特性,有鉴于此日本凸版印刷公司首度开发如(图五)所示MD方式RP-TV专用屏幕,由图可知MD方式RP-TV专用屏幕的Lenticular Lens与遮光部各自独立设置,尤其是遮光部设于扩散部后面革命性设计,使得该MD方式RP-TV专用屏幕可以具备极佳的光学特性。

如上所述微细的镜片间距可以获得高分辨率屏幕,然而传统屏幕结构若维持镜片的发散角大幅降低镜片间距,屏幕本身的厚度可能无法保持必要的刚性,换言之镜片间距的削减有一定的限制,Lenticular Lens与遮光部各自独立制作膜片状再加以贴合,可以同时获得镜片间距微细化与确保屏幕强度两种特性。
               
                                         (图五) 背投屏幕的结构差异
 
本屏幕另一项特征是将扩散部移到前面,如此一来除了可以忽视遮光部开口造成的影像光线损耗之外,还可以有效控制影像光线的扩散性,尤其是传统屏幕的遮光部设于观视方向,观视者侧面观赏电视正面时,超过某个角度画面会变成全黑,相较之下MD用高阶背投屏幕,遮光部设在扩散部后面,观视者侧面观赏电视正面时画面辉度会逐渐下降,不过画面却无变成全黑之虞。

(图六)是传统与MD背投屏幕遮光部的比较,由图可知即使相同的珠粒状屏幕,画面细腻度与遮光面积比率却截然不同;(表一)是传统与MD式背投屏幕的特性测试结果。
 
          
                               (图六) 背投屏幕遮光部的比较
 
高画质RP-TV屏幕的未来发展

背投电视与电浆电视、液晶电视等平面显示器比较时,具有结构简单、低价、高画质等优点,为了使RP-TV拥有更强大的竞争力,背投电视相关业者针对屏幕与投影光机进行下列改善:

■扩大垂直视角

虽然背投电视水平方向的视角比其它平面显示器大,不过垂直方向的视角明显偏低,虽然实用上尚未出现困扰,然而置放在店面展示时画面却比比其它平面显示器暗。

将垂直视角提高到与水平视角相同水平时,画面的亮度会出现下跌等其它问题。(图七)是日本业者开发的可以同时控制水平方向与垂直方向的Cross Lenticular的外观,它是由Lenticular Lens Screen与Fresnel Lens Screen贴合制成,可以同时满足画面亮度与视角要求,因此备受相关业者高度重视。
 
           
                                       (图七) Cross Lenticular的外观
 
■背投电视外观薄型化

2000年日本三洋发表厚33cm、50吋背投电视,2002年三菱电机推出厚度只有23cm背投电视(图八),该公司也于2004年突破20cm门坎,一般认为未来背投电视的厚度可望媲美电浆电视。背投电视薄型化的结果,业者必需开发特殊离轴型Lenticular Lens Screen与Fresnel Lens Screen。
 
             
                                                (图八) 新型超薄型背投电视
 
■支持高分辨率影像

随着数字技术进步与接口设备的建构,未来大型电视势必朝高解析方向发展。目前MD方式背投电视屏幕的Lenticular Lens间距为98μm,可以支持1920×1080高分辨率影像。(图九)是2005年问世的新型Fine Pitch屏幕遮光部结构,屏幕的Lenticular Lens间距为64μm,可以支持2560×2048的影像。
 
            
                                                                           (图九) 新型Fine Pitch屏幕遮光部结构

结语

以上介绍背投电视用光学屏幕的动作原理与最新技术动向。由于背投电视具备成本与影像画质等优势,因此一般认为未来屏幕视角与背投电视薄型化的改善,背投电视可望凌驾等离子电视、液晶电视,同时在大画面平面电视领域中占有一席之地。

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