CN110955106A - 投影屏幕和投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影屏幕和使用该投影屏幕的投影系统。所述投影屏幕包括从投影光线的入射侧依次层叠设置的微结构层和吸光层，所述微结构层包括多个微结构单元，各所述微结构单元包含一个反射面和与所述反射面相对的一个透镜面，并且所述反射面设置在与所述透镜面的焦点相匹配的位置上。根据本发明，能够提供抗环境光的并且具有高增益和高对比度的投影屏幕和投影系统。

Description

投影屏幕和投影系统

技术领域

本发明涉及投影屏幕和投影系统。具体地，本发明涉及一种能够抗环境光并且提高对比度的投影屏幕和使用该投影屏幕的投影系统。

背景技术

近年来，随着投影机亮度的不断提高，投影显示系统的应用越来越广泛。屏幕是投影显示系统的重要组成部分，其对投影显示系统的图像质量影响很大。

通常，屏幕的对比度是评价一块屏幕好坏的重要参数。在屏幕的使用环境中，入射在屏幕上的除了来自投影机的投影光线，往往还有来自周围环境的环境光线。现有的投影屏幕既能反射投影光线也能反射环境光线。因此，由于受到环境光的影响，经屏幕反射而最终呈现出的显示画面的对比度一般远低于投影机自身的对比度。

为了提高屏幕在存在环境光的使用环境下的屏幕对比度，人们已经提出了一些解决方案。如图1的a中所示，在专利文献CN1670618A中提出了一种具有微结构单元的线栅屏幕。微结构单元由上下两个斜面组成，上面的斜面表面涂有黑色的吸光材料，用来吸收屏幕上方过来的环境光线，下面的斜面表面为反射树脂基材，用于反射投影光线。此外，如图2的b中所示，在专利文献CN1693989A中也提出了一种的具有微结构单元的线栅屏幕。与图1的a中不同的是，本图中的微结构单元的基材是黑色的，而在面对投影机的斜面表面涂有一层白色的反射材料，用于反射投影机的光线。线栅结构的准直效果从中间到两边逐渐变差，并且反射表面对于入射光线的角度没有选择性。这就使得环境光一样可以被反射到观众的视场，同时使得屏幕的增益一般低于0.5。

此外，如图1的c中所示，在专利文献CN105408777A中提出了一种具有圆形对称的菲涅尔结构的屏幕。该屏幕利用投影光线与环境光入射角度不同来提高对比度。该屏幕的阵列微结构由透镜面32和非透镜面33组成。透镜面32与屏幕平面的夹角小于非透镜面33与屏幕平面的夹角。图中示出了以较大角度入射的投影光线L1和环境光G1、G2的光路。投影光线L1只入射到具有小夹角的透镜面32上。环境光G2经反射层的上反射面反射到地面方向，不影响观看的对比度，但仍有一部分如图中环境光G1会经发射层的下反射面反射回观看视场中。因此，图1的c中的结构改善对比度效果有限。

发明内容

针对上述问题，本发明期望提供一种能够抗环境光并且具有高增益和高对比度的投影屏幕和投影系统。

根据本发明的实施例，公开了一种投影屏幕，所述投影屏幕包括从投影光线的入射侧依次层叠设置的微结构层和吸光层，所述微结构层包括多个微结构单元，各所述微结构单元包含一个反射面和与所述反射面相对的一个透镜面，并且所述反射面设置在与所述透镜面的焦点相匹配的位置上。

优选地，所述微结构单元还包括连接所述反射面和所述透镜面的连接面。更加优选地，所述连接面包括竖直面，并且所述竖直面与所述吸光层接触。进一步优选地，所述连接面还包括与所述反射面直接相连的水平面。

优选地，各所述微结构单元中的所述透镜面上的任一点的切线与所述反射面的延长线的夹角为钝角。

优选地，各所述微结构单元是微结构单元，在各所述微结构单元中，所述透镜面和所述反射面是针对所述投影光线而设置的一对全反射表面。可替代地，各所述微结构单元是镜面反射微结构单元，在各所述镜面反射微结构单元中，所述透镜面和所述反射面均镀有反射层。

优选地，所述透镜面在竖直方向上具有曲率。另外，优选地，所述反射面在竖直方向上具有曲率。

优选地，所述多个微结构单元在所述投影屏幕的平面内以旋转对称的方式呈环形分布。

优选地，所述投影屏幕还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列位于所述微结构单元的光入射侧，并且所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述微透镜与所述微结构单元一一对应地布置，并且所述反射面位于相应的所述微透镜的焦平面上。优选地，所述微透镜阵列的表面经过磨砂处理。

优选地，所述投影屏幕还包括扩散层，所述扩散层位于所述微结构层的光入射侧。

优选地，所述微结构单元的表面经过磨砂处理。

各所述微结构单元的最大节距为Pitch，所述微结构单元中除去所述反射面和所述透镜面之外的部分的最大长度为T，所述微结构单元的开口因子AR为：

其中，所述开口因子AR的数值在0.1～0.9的范围内，优选为0.35～0.55。

根据本发明的实施例还公开了一种投影系统，所述系统包括上述投影屏幕以及投影机。

如上所述，根据本发明的投影屏幕和投影系统至少具有如下优点：

(1)通过微结构层中透镜面的聚焦作用，减小将光线反射至观众视场的反射面的占空比。从而降低屏幕的整体反射率，但又不影响投影光线的反射，使屏幕具有高增益。

(2)将光线反射至观众视场的反射面的位置与透镜面的焦点位置相匹配，只能将来自屏幕下方的投影光线反射至观众视场，并且根据光路可逆原理，来自其它方向的环境光线将被后方的黑色吸光层吸收或被反射至观众视场区域外，因此屏幕的抗环境光能力显著提高，具有高对比度。

应当理解，本发明的有益效果不限于上述效果，而可以是本文中说明的任何有益效果。

附图说明

图1的a至c是示出了现有技术中的投影屏幕的结构示意图；

图2的a和b是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的结构示意图；

图3是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的具体结构的示意图；

图4图示了微结构单元的各部分尺寸的示意图；

图5的a和b分别图示了根据本发明实施例的投影屏幕在全反射微结构单元的不同开口率的情况下的相对增益和抗环境光对比度的仿真图；

图6示出了当微结构单元为全反射微结构单元时，环境光照射至根据本发明实施例的投影屏幕时的光路示意图；

图7示出了根据本发明实施例的的投影屏幕的微结构单元的结构变型例；

图8的a和b示出了根据本发明实施例的投影屏幕的结构变型例；

图9的a和b示出了根据本发明实施例的投影屏幕的扩散层的变型例的结构示意图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细说明根据本发明的各具体实施例。需要强调的是，附图中的所有尺寸仅是示意性的并且不一定是按照真实比例图示的，因而不具有限定性。例如，应当理解，图示出投影屏幕中的各层结构中各层的厚度、厚度比例以及角度并不是按照实际的尺寸和比例示出的，仅是为了图示方便。

一、投影屏幕概述

图2的a和b是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的结构示意图。如图2的a所示，投影屏幕包括吸光层10、微结构层20、基材层30和扩散层40。投影光线和环境光线能够透过扩散层40和基材层30而入射至微结构层20。在下文中，也将投影屏幕的光入射侧称为屏幕的外侧(即，靠近观众一侧)，将吸光层侧称为屏幕的内侧(即，远离观众一侧)。

微结构层20形成有由重复布置的大量微结构单元构成的微结构单元阵列。例如，如图2的b所示，微结构层20的微结构单元在屏幕平面上具有旋转对称的环形阵列排布结构。该旋转对称的阵列排布结构的旋转中心(光学中心)轴线垂直于屏幕平面且位于屏幕的下方中间位置。优选地，与投影屏幕一起构成投影系统的投影机布置在该旋转中心轴线上。应当理解的是，微结构层20的微结构单元也可以采用其它的排布方式，例如沿着水平和垂直方向排成二维矩阵。

如图2的a的剖视图所示，微结构层20中的每一个微结构单元包括一个反射面21和与反射面21相对的一个透镜面22。在图2的a中，反射面21位于上方，透镜面22位于下方，应当理解的是，反射面和透镜面的位置相对关系不限于此，而是可以根据投影机的位置而设置。来自屏幕下方的投影光线经过透镜面22和反射面21的连续反射，能够进入观众视场当中。

在一个实施例中，微结构单元是全反射微结构单元，反射面21和透镜面22是针对投影光线而设置的一对全反射表面。此外，每一个微结构单元还包括用于连接反射面21和透镜面22的连接面。如图2所示，连接面例如可以是一个垂直于屏幕平面的水平面23和一个平行于屏幕平面的竖直面24。水平面23与反射面21直接相连，竖直面24与透镜面22直接相连。反射面21设置在与透镜面22的焦点相匹配的位置上。例如，反射面21位于透镜面22的焦点附近或者经过透镜面22的焦点。透镜面22例如可以在竖直方向上具有曲率。通过这样的结构，如图2中所示，使得来自屏幕下方的投影光线在透镜面22上发生全反射的同时被聚焦至反射面21上，并且在反射面21上再次发生全反射后进入观众视场当中。而来自于其它方向的环境光由于不满足全反射条件，要么透过微结构层20被后面的吸光层10吸收，要么被反射至观众视场之外，从而提高整个屏幕的抗环境光性能。另外，如在下文中将详细说明地，由于采用了由透镜面与反射面构成一对全反射表面的结构，减小了反射面的占空比，降低了屏幕的整体反射率，但又不影响投影光线的反射，从而使得屏幕结构具有高的增益。此外，在另一实施例中，微结构单元是镜面反射微结构单元。与上述实施例的区别在于，反射面21和透镜面22是镜面反射表面。例如，可以通过如下方式形成镜面反射表面：在反射面21和透镜面22上镀覆例如金属等反射材料形成反射层。通过这样的结构，如图2中所示，使得来自屏幕下方的投影光线在透镜面22上被反射的同时被聚焦至反射面21上，并且在反射面21上再次发生反射后进入观众视场当中。根据光路可逆，来自于其它方向的环境光要么透过竖直面24被后面的吸光层10吸收，要么被反射面21或透镜面22反射至观众视场之外，从而提高整个屏幕的抗环境光性能。另外，如在下文中将详细说明地，由于采用了微结构单元包括配合设置的一对透镜面与反射面的结构，减小了反射面的占空比，降低了屏幕的整体反射率，但又不影响投影光线的反射，从而使得屏幕结构具有高的增益。需要说明的是，由于全反射结构对于反射的光线具有更加严格的角度选择特性，因此，采用全反射微结构单元的屏幕比采用镜面反射微结构单元的屏幕具有更好的抗环境光性能。

微结构层20可以是与基材层30一体形成的。例如，在基材层30的一侧进行表面处理，形成微结构层20。换言之，也可以将基材层30和微结构层20统称为微结构层。

吸光层10能够吸收照射在其上的光束。例如，吸光层10是黑色吸光层。在图2所示的示例中，吸光层10与微结构层20的微结构单元的竖直面24接触。此外，在吸光层10与微结构层20之间的非接触区域还可以具有空气间隙或者平坦化层。

扩散层40用于扩散从微结构层20反射出的准直光束，以使投影屏幕具有更大的可视角度。此外，在扩散层40的外侧还可以添加设置保护层以防止刮伤或者化学腐蚀。当然，还可以根据设计需要设置其它的辅助功能层。

二、微结构单元的光学原理及角度选择

如上所述，根据本发明的投影屏幕的微结构单元例如可以是全反射微结构单元，也可以是镜面反射微结构单元。下面，将参照图3至图6详细说明在根据本发明实施例的投影屏幕10的微结构单元是全反射微结构单元的情况下，所述全反射微结构单元的光学原理。其中，图3示出了当来自屏幕下方的投影光线入射至根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元时的光路示例，图4示出了根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的开口率，图5示出了当环境光入射至投影屏幕时的光路示例。需要说明的是，为了清楚地图示，在图3和图4中均只图示了微结构单元的部分结构。

图3示出了当来自屏幕下方的投影光线入射至根据本发明实施例的投影屏幕的全反射微结构单元时的光路示例。其中，假设微结构层20的折射率为n₂，并且位于微结构层20内侧的层(例如，吸光层10或空气间隙)的折射率为n₃，位于微结构层20外侧的层(例如，扩散层10)的折射率为n₁。此外，假设入射的投影光线与水平方向的角度为α，出射的投影光线与水平方向的角度为β；透镜面22上的某一点的切线与垂直方向(与屏幕平面平行的方向)的夹角为θ₁；反射面21与垂直方向(与屏幕平面平行的方向)的夹角为θ₂。那么，由几何关系和光学原理可以得到：

在超短焦投影的应用中，投影机位于屏幕的下方，所以入射角度a＞0总是成立；而观众的眼睛位于投影机的上方，所以α+β＞0的条件也能满足，由公式(1)可以得到：

θ₁+θ₂＜90° (4)

因此，每个全反射微结构单元中的透镜面22上的任一点的切线与反射面21的延长线的夹角需满足钝角的条件。另外，在实际的应用场景中，观众一般在比较大的水平视场和比较小的垂直视场中观看屏幕，一般都希望屏幕的水平视角满足一定观看要求，而对竖直方向的视角无严格规定，因此为了保证不影响屏幕增益，需要对竖直方向的视角进行限制。因此假设希望竖直方向的最大出射角度为β_c，则有：

β＜β_c (5)

根据公式(3)、(4)得到，

由公式(4)、(6)和(7)，我们就可以根据设计需要而设定出合适的θ₁和θ₂。

此外，为了更好地解释根据本发明实施例的投影屏幕的有利效果，这里我们定义一个与抗环境光对比度有关的参数——开口因子AR。如图4中所示，在垂直方向上，一个全反射微结构单元的最大节距为Pitch，反射面21的长度为h，透镜面22的长度为H，全反射微结构单元中除去一对全反射表面(即，反射面21和透镜面22)之外的部分的最大长度为T，则：

图5的a和b分别图示了根据本发明实施例的投影屏幕在全反射微结构单元的不同开口率的情况下的相对增益和相对抗环境光对比度的仿真图。从图5的a中可以看出，开口因子从0开始增加的时候，因为透镜面的聚光作用，屏幕对于投影光线的增益没有明显的变化，只有当开口因子AR大于0.5后才开始下降。需要说明的是，为了方便图示，图5的a中示出的增益为相对于开口因子为0时的相对增益，并不是实际增益；类似地，图5的b中示出的对比度也是相对对比度，并不是实际对比度。此外，从图5的b中可以看出，因为环境光来自于各个方向，屏幕的抗环境光对比度取决于开口因子的大小，开口因子AR越大意味着吸光层的占比越高，则屏幕吸收光的能力越强，吸收的环境光也越多，屏幕的抗环境光对比度也越好，为了方便图示，图5的b中示出的抗环境光对比度为相对于开口因子为0时的相对抗环境光对比度。因此，综合图5的a和b可以知晓，开口因子AR的范围为0.1～0.9，并且当开口因子处于优选范围0.35～0.55内时，可以兼顾屏幕的增益和抗环境光对比度的效果。需要说明的是，虽然图5的a和b中示出的仿真结果是针对采用全反射微结构单元的投影屏幕进行仿真而获得的，但采用镜面反射微结构单元的投影屏幕的开口因子对于增益和抗环境光对比度的影响也基本类似，上述仿真结果同样适用。

此外，假设每个全反射微结构单元中的反射面21的单位面积的反射率为R，屏幕总面积为S，A₀为一常量，h为各反射面21在垂直方向上的长度，则屏幕整体的平均反射率R_ave为：

结合图3的投影光线光路图可以得到，由于在本发明中采用了能够将投影光线会聚至反射面21上的透镜面22，经透镜面22全反射的投影光束被会聚在反射面21很小的一个区域内，因此能够将反射面的尺寸做的较小。因此，由上述公式(8)可知，在全反射微结构单元的节距Pitch和透镜面在竖直方向上的长度H不变的情况下，由于h显著减小，能够适当地增大T，从而提供具有大的开口因子AR的屏幕。另外，由上述公式(9)可知，如果保证每个全反射微结构的Pitch和T不变，即在开口因子AR不变的情况下，由于h显著减小，每个全反射微结构单元中反射面21所占的比例变小，使得整个屏幕的总体平均反射率R_ave降低，因此本发明的投影屏幕的抗环境光的能力提高。另外，由于全反射微结构单元的反射面21的尺寸变小，在全反射微结构单元的Pitch和AR不变的情况下，透镜面尺寸增大，这意味着可用于接收投影光线的面积增大。因此，相比于现有技术中的方案，屏幕的增益也增大。由上述分析可知，由于采用了透镜面22和反射面21，因而能够根据不同的需要实现多种技术效果。

此外，图6中示出了当环境光入射至根据本发明实施例的投影屏幕上的光路示例。如图6所示，例如，来自屏幕上方的一部分顶部照明光线A1入射在全反射微结构单元的透镜面22上，由于入射角度不满足全反射条件，直接穿过透镜面22被后面的黑色吸光层10吸收；另一部分来自顶部的环境光线A2先入射在反射面21上，发生全反射后经全反射微结构单元的竖直面24而被吸光层吸收。此外，还有一部分环境光线A3先入射在反射面21上，发生全反射后入射在透镜面22上，然后接着被透镜面22全反射至观众的视场之外，例如反射至地面。另外，还有一部分环境光A4直接入射至透镜面22，被透镜面22反射至观众的视场之外，例如反射至地面。顺便提及地，当微结构单元是镜面反射微结构单元时，上述光路会略有不同。在此情况下，具体地，来自屏幕上方的一部分顶部照明光线A1入射在镜面反射微结构单元的透镜面22上，被反射至观众的视场之外，例如反射至屋顶；另一部分来自顶部的环境光线A2先入射在反射面21上，被反射至竖直面24，然后被吸光层吸收。此外，还有一部分环境光线A3先入射在反射面21上，经过反射面21和透镜面22的连续反射，被反射至观众的视场之外，例如反射至地面。综上可知，根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的结构本身具有良好的抗环境光能力。

三、微结构单元的结构的变型

具有环形排布结构的微结构单元可以通过精密车床加工、激光雕刻或微结构显影曝光的方式制作在母模上，然后经过热压印或UV胶水转印的方法制作在透明、黑色或者灰色的基材表面，基材包括PET、PC、PVC、PMMA等有机材料。

如前所述，各微结构单元包括一个反射面21和一个透镜面22。反射面21和透镜面22构成微结构单元的一对反射表面。此外，每一个微结构单元还可以包括用于连接反射面21和透镜面22的连接面。关于连接面，除了如图2至图6中所示的包含一个水平面23和一个竖直面24的情况之外，还可以采用别的方式。例如，图7的a～c中图示了用于反射面21与透镜面22的连接面的另外3种结构。图7的a中，反射面21与透镜面22直接通过斜面相连。在图7的b中，反射面21和透镜面22均延伸至与吸光层相接触，并只通过垂直面24相连。图7的c中，反射面21和透镜面22直接相交。通过对比可知，图2～图6中的包含水平面23和垂直面24的结构具有最小的反射面面积，且该结构下的屏幕整体反射率最低，此外，由于水平面23垂直于屏幕平面地延伸，所以环境光几乎不会照射在水平面上产生不期望的反射，所以能够有效避免环境光对屏幕对比度的影响，为最优方案。图7的a中所示的结构加工相对简单，但会增大投影光线被反射的概率，可以具有合适的增益和较高的对比度。图7的b和c中所示的结构加工简单，且可充分利用投影光线，可以具有合适的对比度和高增益。

四、微结构单元的反射面结构的变型

微结构单元的反射面21可以是如图2～5中所示的平面结构，也可以制作成在竖直方向具有曲率的曲面，从而对出射光线进行竖直方向的压缩，减小竖直方向的扩散，增大屏幕增益，如图8的a所示。需要说明的是，在此情况下，前文中讨论的角度θ₂可以定义为带曲率的反射面21上的某一点的切线与垂直方向(与屏幕平面平行的方向)的夹角。

此外，图8的b还图示了根据本发明实施例的投影屏幕的与反射面相关的另一种变型。如图8的b中所示，在用于加工微结构单元的基材层30的靠近观众的一侧还形成有微透镜阵列。微透镜阵列中的微透镜31与微结构层20中的微结构单元一一对应地布置，并且微结构单元中的反射面21正好位于相应的微透镜31的焦平面上。微透镜阵列用于将从反射面21出射的光束进行准直，减小竖直方向的扩散，在微透镜阵列的外侧可以贴合扩散膜或将微透镜阵列表面做磨砂处理。

五、扩散层的变型

如上所述，根据本发明实施例的投影屏幕可以在基材层30的靠近观众的一侧设置有扩散层40，如图9的a所示。扩散层40例如可以是表面扩散层或体扩散层。然而，本发明不限于此。例如，可以直接将微结构单元的表面做磨砂处理，使投影光线在被反射的同时反生扩散，增大观看视角，如图9的b所示。此外，屏幕的靠近观众的一侧表面也可以额外设置着色层、保护层等。

尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的投影屏幕和投影系统，但是本发明不限于此，且本领域技术人员应理解，在不偏离本发明随附权利要求书限定的实质或范围的情况下，可以做出各种改变、组合、次组合以及变型。

Claims (16)

1.一种投影屏幕，其特征在于，

所述投影屏幕包括从投影光线的入射侧依次层叠设置的微结构层和吸光层，

所述微结构层包括多个微结构单元，各所述微结构单元包含一个反射面和与所述反射面相对的一个透镜面，并且所述反射面设置在与所述透镜面的焦点相匹配的位置上。

2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述微结构单元还包括连接所述反射面和所述透镜面的连接面。

3.根据权利要求2所述的投影屏幕，其特征在于，所述连接面包括竖直面，并且所述竖直面与所述吸光层接触。

4.根据权利要求3所述的投影屏幕，其特征在于，所述连接面包括与所述反射面直接相连的水平面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，各所述微结构单元中的所述透镜面上的任一点的切线与所述反射面的延长线的夹角为钝角。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，在各所述微结构单元中，所述透镜面和所述反射面是针对所述投影光线而设置的一对全反射表面。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，在各所述微结构单元中，所述透镜面和所述反射面均镀有反射层。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述透镜面在竖直方向上具有曲率。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述多个微结构单元在所述投影屏幕的平面内以旋转对称的方式呈环形分布。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列位于所述微结构单元的光入射侧，并且

所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述微透镜与所述微结构单元一一对应地布置，并且所述反射面位于相应的所述微透镜的焦平面上。

11.根据权利要求10所述的投影屏幕，其特征在于，所述微透镜阵列的表面经过磨砂处理。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕还包括扩散层，所述扩散层位于所述微结构层的光入射侧。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述微结构单元的表面经过磨砂处理。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述反射面在竖直方向上具有曲率。

15.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，各所述微结构单元的最大节距为Pitch，所述微结构单元中除去所述反射面和所述透镜面之外的部分的最大长度为T，所述微结构单元的开口因子AR为：

其中，所述开口因子AR的数值在0.1～0.9的范围内，优选为0.35～0.55。

16.一种投影系统，所述系统包括如权利要求1至15中任一项所述的投影屏幕以及投影机。

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