背投電視光學(xué)屏幕技術(shù)動(dòng)向

由于背投電視具備成本與影像畫質(zhì)等優(yōu)勢，因此一般認(rèn)為未來屏幕視角與背投電視薄型化的改善，背投電視可望凌駕電漿電視、液晶電視，同時(shí)在大畫面平面電視領(lǐng)域中占有一席之地。本文將介紹背投電視用光學(xué)屏幕的動(dòng)作原理與技術(shù)動(dòng)向。

RP-TV屏幕的要求特性

大型RP-TV屏幕的要求特性分別如下：

(1)可以忠實(shí)表現(xiàn)影像。電視主要功能是顯示影像信息，因此屬于終端顯示組件的屏幕，必需忠實(shí)表現(xiàn)預(yù)期的影像畫質(zhì)；

(2)影像光線可以無衰減穿透屏幕，有效遮斷外亂光。相較于在黑暗環(huán)境中使用的前投式投影機(jī)，RP-TV通常是在明亮室內(nèi)空間內(nèi)使用，屏幕表面的室內(nèi)外亂光往往成為影像對(duì)比降低主要原因，因此要求RP-TV屏幕可以吸收室內(nèi)的外亂光，只讓影像光線無障礙穿透屏幕；

(3)可以有效擴(kuò)散影像光線。RP-TV屏幕主要功能是使投影機(jī)投射的影像光線均勻擴(kuò)散，然而實(shí)際上RP-TV受限于燈泡消費(fèi)電力等考慮，通常影像本身的亮度都非常暗，因此要求屏幕可以大范圍擴(kuò)散影像光線。

RP-TV屏幕的動(dòng)作原理

(圖一)是典型MD方式（Micro Display；它是指DLP、HTPS與LCOS等微型成像組件構(gòu)成的投影光機(jī)引擎而言）RP-TV用屏幕的構(gòu)造，如圖一所示從背面投射的影像光線，通過Fresnel Lens之后收斂成平行光再入射至屏幕，由于RP-TV用屏幕設(shè)有珠粒狀鏡片數(shù)組，所以又稱為珠粒狀屏幕（Lenticular Screen）。

珠粒狀屏幕是由珠狀鏡片、遮光部與擴(kuò)散部構(gòu)成，珠狀鏡片部的各鏡片可以使入射的影像光線集光，遮光部的柵欄狀開口設(shè)在各珠粒狀鏡片的集光位置上。
　

(圖一)　背投電視用光學(xué)屏幕的結(jié)構(gòu)
　
如(圖二)所示從Lenticular Lens入射影像光線在鏡片焦點(diǎn)附近集光，由于遮光部的開口設(shè)于各鏡片的集光位置，因此影像光線在遮光部不會(huì)被遮蔽可以順利穿透屏幕，行進(jìn)方向未定的外亂光線則被遮光部吸收，由此可知RP-TV用屏幕是利用鏡片與遮光部的特性，達(dá)成影像光線穿透外亂光被吸收的目的。

如上所述RP-TV用屏幕通常是在明亮室內(nèi)環(huán)境中使用，對(duì)RP-TV屏幕而言阻斷室內(nèi)外亂光提高影像對(duì)比（Contrast）非常重要。影像光線穿透時(shí)不會(huì)被遮光部遮蔽的前提下，通常開口部的面積越小，亦即遮光部的面積比率越大，遮蔽外亂光的能力越強(qiáng)，影像對(duì)比也越高。

Lenticular Lens除了可以收斂遮光部開口位置的光線之外，它還會(huì)將入射的影像光線擴(kuò)散到水平方向，此外Lenticular Lens為了支持高分辨率（HD）影像，因此要求非常微細(xì)的鏡片間距（Lens Pitch），因?yàn)榇执蟮溺R片間距可能會(huì)導(dǎo)致Fresnel Lens、Lenticular Lens與投影影像畫素出現(xiàn)波紋。
至于擴(kuò)散部可以使影像光線朝水平方向擴(kuò)散，不過極端強(qiáng)調(diào)擴(kuò)散性極易造成對(duì)比、輝度與影像分辨率降低等后果，因此擴(kuò)散性的最佳化往往成為屏幕設(shè)計(jì)上重點(diǎn)之一。
　
(圖二)　光學(xué)屏幕的動(dòng)作原理
　
如(圖三)(a)、(b)所示RP-TV可以分成RGB三色CRT投影鎗投影的CRT背投電視，以及MD方式背投電視兩種，CRT背投電視具歷史有悠久、低制作成本、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，體積笨重、觀視范圍狹窄則是它的主要缺點(diǎn)；相較之下DLP、HTPS、LCOS等微型成像組件構(gòu)成的RP-TV，不論是外型體積、影像改善裕度、制作成本都具有極佳的競爭優(yōu)勢，一般認(rèn)為未來可望取代CRT背投電視成為市場主流。
　

(圖三)　(a)CRT背投電視的結(jié)構(gòu)；(b)MD背投電視的結(jié)構(gòu)
　
(圖四)(a)是傳統(tǒng)CRT背投電視屏幕的動(dòng)作特性圖，由圖可知RGB各影像光線分別從相異方向投射到屏幕，當(dāng)影像光線從屏幕出射時(shí)必需進(jìn)行光線整合，因此觀視方向的屏幕表面通常會(huì)設(shè)置Lenticular Lens；圖四(b)是MD方式背投電視屏幕的動(dòng)作特性圖，由圖可知它使用MD方式投影機(jī)投射影像，所以觀視方向的屏幕表面不需設(shè)置Lenticular Lens。
　

(圖四)　CRT與MD背投屏幕的比較
　
事實(shí)上早期的MD方式RP-TV都是使用CRT背投電視屏幕，因此始終無法充分發(fā)揮MD方式RP-TV的特性，有鑒于此日本凸版印刷公司首度開發(fā)如(圖五)所示MD方式RP-TV專用屏幕，由圖可知MD方式RP-TV專用屏幕的Lenticular Lens與遮光部各自獨(dú)立設(shè)置，尤其是遮光部設(shè)于擴(kuò)散部后面革命性設(shè)計(jì)，使得該MD方式RP-TV專用屏幕可以具備極佳的光學(xué)特性。

如上所述微細(xì)的鏡片間距可以獲得高分辨率屏幕，然而傳統(tǒng)屏幕結(jié)構(gòu)若維持鏡片的發(fā)散角大幅降低鏡片間距，屏幕本身的厚度可能無法保持必要的剛性，換言之鏡片間距的削減有一定的限制，Lenticular Lens與遮光部各自獨(dú)立制作膜片狀再加以貼合，可以同時(shí)獲得鏡片間距微細(xì)化與確保屏幕強(qiáng)度兩種特性。

(圖五)　背投屏幕的結(jié)構(gòu)差異
　
本屏幕另一項(xiàng)特征是將擴(kuò)散部移到前面，如此一來除了可以忽視遮光部開口造成的影像光線損耗之外，還可以有效控制影像光線的擴(kuò)散性，尤其是傳統(tǒng)屏幕的遮光部設(shè)于觀視方向，觀視者側(cè)面觀賞電視正面時(shí)，超過某個(gè)角度畫面會(huì)變成全黑，相較之下MD用高階背投屏幕，遮光部設(shè)在擴(kuò)散部后面，觀視者側(cè)面觀賞電視正面時(shí)畫面輝度會(huì)逐漸下降，不過畫面卻無變成全黑之虞。

(圖六)是傳統(tǒng)與MD背投屏幕遮光部的比較，由圖可知即使相同的珠粒狀屏幕，畫面細(xì)膩度與遮光面積比率卻截然不同；(表一)是傳統(tǒng)與MD式背投屏幕的特性測試結(jié)果。
　

(圖六)　背投屏幕遮光部的比較

高畫質(zhì)RP-TV屏幕的未來發(fā)展

背投電視與電漿電視、液晶電視等平面顯示器比較時(shí)，具有結(jié)構(gòu)簡單、低價(jià)、高畫質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，為了使RP-TV擁有更強(qiáng)大的競爭力，背投電視相關(guān)業(yè)者針對(duì)屏幕與投影光機(jī)進(jìn)行下列改善：

■擴(kuò)大垂直視角
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雖然背投電視水平方向的視角比其它平面顯示器大，不過垂直方向的視角明顯偏低，雖然實(shí)用上尚未出現(xiàn)困擾，然而置放在店面展示時(shí)畫面卻比比其它平面顯示器暗。

將垂直視角提高到與水平視角相同水平時(shí)，畫面的亮度會(huì)出現(xiàn)下跌等其它問題。(圖七)是日本業(yè)者開發(fā)的可以同時(shí)控制水平方向與垂直方向的Cross Lenticular的外觀，它是由Lenticular Lens Screen與Fresnel Lens Screen貼合制成，可以同時(shí)滿足畫面亮度與視角要求，因此備受相關(guān)業(yè)者高度重視。
　

(圖七)　Cross Lenticular的外觀
　
■背投電視外觀薄型化

2000年日本三洋發(fā)表厚33cm、50吋背投電視，2002年三菱電機(jī)推出厚度只有23cm背投電視(圖八)，該公司也于2004年突破20cm門坎，一般認(rèn)為未來背投電視的厚度可望媲美電漿電視。背投電視薄型化的結(jié)果，業(yè)者必需開發(fā)特殊離軸型Lenticular Lens Screen與Fresnel Lens Screen。
　

(圖八)　新型超薄型背投電視
　
■支持高分辨率影像

隨著數(shù)字技術(shù)進(jìn)步與接口設(shè)備的建構(gòu)，未來大型電視勢必朝高解析方向發(fā)展。目前MD方式背投電視屏幕的Lenticular Lens間距為98μm，可以支持1920×1080高分辨率影像。(圖九)是2005年問世的新型Fine Pitch屏幕遮光部結(jié)構(gòu)，屏幕的Lenticular Lens間距為64μm，可以支持2560×2048的影像。
　

(圖九)　新型Fine Pitch屏幕遮光部結(jié)構(gòu)

結(jié)語

以上介紹背投電視用光學(xué)屏幕的動(dòng)作原理與最新技術(shù)動(dòng)向。由于背投電視具備成本與影像畫質(zhì)等優(yōu)勢，因此一般認(rèn)為未來屏幕視角與背投電視薄型化的改善，背投電視可望凌駕等離子電視、液晶電視，同時(shí)在大畫面平面電視領(lǐng)域中占有一席之地。