背投电视光学萤幕技术动向

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由于背投电视具备成本与影像画质等优势，因此一般认为未来萤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萤幕的动作原理与技术动向。
RP-TV萤幕的要求特性
大型RP-TV萤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资讯，因此属于终端显示元件的萤幕，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萤幕，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，萤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萤幕可以吸收室内的外乱光，只让影像光线无障碍穿透萤幕；

(3)可以有效扩散影像光线。RP-TV萤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量，通常影像本身的亮度都非常暗，因此要求萤幕可以大范围扩散影像光线。

RP-TV萤幕的动作原理
(图一)是典型MD方式（Micro Display；它是指DLP、HTPS与LCOS等微型成像元件构成的投影光机引擎而言）RP-TV用萤幕的构造，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萤幕，由于RP-TV用萤幕设有珠粒状镜片阵列，所以又称为珠粒状萤幕（Lenticular Screen）。

珠粒状萤幕是由珠状镜片、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)　背投电视用光学萤幕的结构
　

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萤幕，行进方向未定的外乱光线则被遮光部吸收，由此可知RP-TV用萤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用萤幕通常是在明亮室内环境中使用，对RP-TV萤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为了支援高解析度（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、辉度与影像解析度降低等后果，因此扩散性的最佳化往往成为萤幕设计上重点之一。
　

(图二)　光学萤幕的动作原理
　

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等微型成像元件构成的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背投电视萤幕的动作特性图，由图可知RGB各影像光线分别从相异方向投射到萤幕，当影像光线从萤幕出射时必需进行光线整合，因此观视方向的萤幕表面通常会设置Lenticular Lens；图四(b)是MD方式背投电视萤幕的动作特性图，由图可知它使用MD方式投影机投射影像，所以观视方向的萤幕表面不需设置Lenticular Lens。
　

(图四)　CRT与MD背投萤幕的比较
　

事实上早期的MD方式RP-TV都是使用CRT背投电视萤幕，因此始终无法充分发挥MD方式RP-TV的特性，有监于此日本凸版印刷公司首度开发如(图五)所示MD方式RP-TV专用萤幕，由图可知MD方式RP-TV专用萤幕的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专用萤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解析度萤幕，然而传统萤幕结构若维持镜片的发散角大幅降低镜片间距，萤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萤幕强度两种特性。
　

(图五)　背投萤幕的结构差异
　

本萤幕另一项特徵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，尤其是传统萤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用高阶背投萤幕，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背投萤幕遮光部的比较，由图可知即使相同的珠粒状萤幕，画面细腻度与遮光面积比率却截然不同；(表一)是传统与MD式背投萤幕的特性测试结果。
　

(图六)　背投萤幕遮光部的比较

高画质RP-TV萤幕的未来发展
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萤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准时，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门槛，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
　

■支援高解析度影像

随着数字技术进步与周边设备的建构，未来大型电视势必朝高解析方向发展。目前MD方式背投电视萤幕的Lenticular Lens间距为98μm，可以支援1920×1080高解析度影像。(图九)是2005年问世的新型Fine Pitch萤幕遮光部结构，萤幕的Lenticular Lens间距为64μm，可以支援2560×2048的影像。
　