背投電視光學屏幕技術動向

由于背投電視具備成本與影像畫質等優(yōu)勢，因此一般認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，同時在大畫面平面電視領域中占有一席之地。本文將介紹背投電視用光學屏幕的動作原理與技術動向。

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，必需忠實表現(xiàn)預期的影像畫質；

(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，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)可以有效擴散影像光線。RP-TV屏幕主要功能是使投影機投射的影像光線均勻擴散，然而實際上RP-TV受限于燈泡消費電力等考慮，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散影像光線。

RP-TV屏幕的動作原理

(圖一)是典型MD方式（Micro Display；它是指DLP、HTPS與LCOS等微型成像組件構成的投影光機引擎而言）RP-TV用屏幕的構造，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、遮光部與擴散部構成，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在各珠粒狀鏡片的集光位置上。
　

(圖一)　背投電視用光學屏幕的結構
　
如(圖二)所示從Lenticular Lens入射影像光線在鏡片焦點附近集光，由于遮光部的開口設于各鏡片的集光位置，因此影像光線在遮光部不會被遮蔽可以順利穿透屏幕，行進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RP-TV屏幕而言阻斷室內(nèi)外亂光提高影像對比（Contrast）非常重要。影像光線穿透時不會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，影像對比也越高。

Lenticular Lens除了可以收斂遮光部開口位置的光線之外，它還會將入射的影像光線擴散到水平方向，此外Lenticular Lens為了支持高分辨率（HD）影像，因此要求非常微細的鏡片間距（Lens Pitch），因為粗大的鏡片間距可能會導致Fresnel Lens、Lenticular Lens與投影影像畫素出現(xiàn)波紋。
至于擴散部可以使影像光線朝水平方向擴散，不過極端強調擴散性極易造成對比、輝度與影像分辨率降低等后果，因此擴散性的最佳化往往成為屏幕設計上重點之一。
　
(圖二)　光學屏幕的動作原理
　
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、技術成熟等優(yōu)點，體積笨重、觀視范圍狹窄則是它的主要缺點；相較之下DLP、HTPS、LCOS等微型成像組件構成的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背投電視的結構；(b)MD背投電視的結構
　
(圖四)(a)是傳統(tǒng)CRT背投電視屏幕的動作特性圖，由圖可知RGB各影像光線分別從相異方向投射到屏幕，當影像光線從屏幕出射時必需進行光線整合，因此觀視方向的屏幕表面通常會設置Lenticular Lens；圖四(b)是MD方式背投電視屏幕的動作特性圖，由圖可知它使用MD方式投影機投射影像，所以觀視方向的屏幕表面不需設置Lenticular Lens。
　

(圖四)　CRT與MD背投屏幕的比較
　
事實上早期的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與遮光部各自獨立設置，尤其是遮光部設于擴散部后面革命性設計，使得該MD方式RP-TV專用屏幕可以具備極佳的光學特性。

如上所述微細的鏡片間距可以獲得高分辨率屏幕，然而傳統(tǒng)屏幕結構若維持鏡片的發(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與遮光部各自獨立制作膜片狀再加以貼合，可以同時獲得鏡片間距微細化與確保屏幕強度兩種特性。

(圖五)　背投屏幕的結構差異
　
本屏幕另一項特征是將擴散部移到前面，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散性，尤其是傳統(tǒng)屏幕的遮光部設于觀視方向，觀視者側面觀賞電視正面時，超過某個角度畫面會變成全黑，相較之下MD用高階背投屏幕，遮光部設在擴散部后面，觀視者側面觀賞電視正面時畫面輝度會逐漸下降，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果。
　

(圖六)　背投屏幕遮光部的比較

高畫質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，具有結構簡單、低價、高畫質等優(yōu)點，為了使RP-TV擁有更強大的競爭力，背投電視相關業(yè)者針對屏幕與投影光機進行下列改善：

■擴大垂直視角
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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，雖然實用上尚未出現(xiàn)困擾，然而置放在店面展示時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，畫面的亮度會出現(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，可以同時滿足畫面亮度與視角要求，因此備受相關業(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)字技術進步與接口設備的建構，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屏幕遮光部結構，屏幕的Lenticular Lens間距為64μm，可以支持2560×2048的影像。
　

(圖九)　新型Fine Pitch屏幕遮光部結構

結語

以上介紹背投電視用光學屏幕的動作原理與最新技術動向。由于背投電視具備成本與影像畫質等優(yōu)勢，因此一般認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，同時在大畫面平面電視領域中占有一席之地。