CN112180673A - 一种投影屏幕 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种投影屏幕。本申请通过设计阵列排布的多个三棱锥单元的锥角按照预定关系渐变，使得从投影机出射的图像光经具有三棱锥单元的微结构层的反射后汇聚至以人眼为中心的范围内，以此降低不同观看位置处的亮度差异大小，从而保证该投影屏幕具有高亮度均匀性和高增益。

Description

一种投影屏幕

技术领域

本申请涉及投影技术领域，具体涉及一种投影屏幕。

背景技术

投影显示目前已经得到了越来越多的应用。投影显示的原理是：投 影机将图像光投射到一屏幕(称为投影屏幕)上，图像光在屏幕上被散 射，其中部分被散射的图像光被人眼接收，在人眼看来这些图像光就如 同是屏幕上发出来的，这样屏幕上就形成了图像。相比较于投影机将图 像光直接投射至墙体上，投影屏幕会显著提高显示亮度。

为了保证观众的观影体验，投影屏幕需要兼顾高增益和良好的亮度 均匀性。在投影尺寸较大的画面以及在较远处观看时，投影屏幕的增益 越高，亮度体验越高。亮度均匀性是衡量在水平方向上不同观看位置处 的亮度差异大小，亮度均匀性越好，观影体验越佳。

现有的投影屏幕为线栅结构菲涅尔直投屏幕，由于屏幕光学结构的 限制，投影屏幕的亮度均匀性较差，而为了改善亮度均匀性，现有技术 通常会在线栅微结构的反射层添加散射粒子，这不仅导致反射层的反射 率降低，而且反射层的散射特性会降低投影屏幕的增益。

由此可见，现有的投影屏幕无法兼顾高增益和亮度均匀性。

发明内容

本申请提供一种具有良好亮度均匀性和高增益的投影屏幕。

本申请一实施例的投影屏幕，至少包括微结构层，所述微结构层包 括基体层和形成于所述基体层表面的微结构单元；其中，所述微结构单 元包括阵列排布的多个三棱锥单元，所述三棱锥单元包括贴合于所述基 体层表面的光出射面，沿第一方向排布的所述多个三棱锥单元相同，沿 与所述第一方向垂直的第二方向排布的多个三棱锥单元的锥角渐变，其 中所述锥角为所述三棱锥单元中平行于第二方向的棱和底面的夹角，所 述底面为所述三棱锥单元的除光出射面和相交形成所述棱的两个面之 外的面。

可选地，沿第二方向排布的三棱锥单元的锥角满足如下关系式：

其中，θ为所述三棱锥单元的锥角，α1为所述图像光的入射角， α4为所述图像光的出射角，n为三棱锥单元的折射率。

可选地，沿所述第一方向，相邻两个所述三棱锥单元之间为透光区 域。

可选地，沿所述第一方向，相邻两个所述三棱锥单元之间设置有非 透光结构。

可选地，在所述第一方向上相邻两个所述三棱锥单元之间设置有光 学涂料层，所述光学涂料层包括反射材料、光吸收材料及光扩散材料的 任意组合。

可选地，沿所述第一方向，相邻两个所述三棱锥单元之间设有反结 构棱镜，所述反结构棱镜和三棱锥单元的结构相同，任一三棱锥单元和 相邻的反结构棱镜呈中心对称，且所述三棱锥单元的光出射面与所述反 结构棱镜的光出射面的朝向相同。

可选地，相交形成棱的两个面的夹角的取值范围为90°±20°。

可选地，所述投影屏幕还包括扩散层、反射层和保护层的任意组合， 所述微结构单元设置于所述扩散层上且所述三棱锥单元的光出射面与 所述扩散层贴合，所述反射层覆盖所述微结构单元，所述保护层覆盖于 所述投影屏幕的最外侧。

可选地，所述反射层中掺杂有用于实现光散射的散射粒子。

可选地，所述扩散层为厚度均匀的层结构，且为所述投影屏幕的所 述基体层。

可选地，所述扩散层的厚度介于100～1000um之间。

本申请提供的投影屏幕包括阵列排布的多个三棱锥单元，通过设计 三棱锥单元的锥角按照预定关系渐变，使得从投影机出射的图像光经具 有三棱锥单元的微结构层的反射后汇聚至以人眼为中心的范围内，以此 降低不同观看位置处的亮度差异大小，从而保证该投影屏幕具有高亮度 均匀性和高增益。

附图说明

图1是本申请的投影屏幕第一实施例的微结构层的局部结构俯视图；

图2是图1所示的投影屏幕沿A-A方向的结构剖视图；

图3是图1所示的三棱锥单元的结构透视图；

图4是图3所示的三棱锥单元在垂直视角方向上的结构侧视图；

图5是图3所示的三棱锥单元在水平视角方向上的结构侧视图；

图6是图2所示的投影屏幕的局部结构示意图；

图7是图像光投射至图1所示投影屏幕时垂直方向的传输示意图；

图8是图像光投射至图1所示投影屏幕时水平方向的传输示意图；

图9是本申请的投影屏幕第二实施例的局部结构俯视图。

具体实施方式

本申请的首要目的是：对于包括阵列排布的多个三棱锥单元的投影 屏幕，通过设计三棱锥单元的锥角渐变，使得从投影机出射的图像光经 具有三棱锥单元的微结构层的反射后汇聚至以人眼为中心的范围内，以 此降低不同观看位置处的亮度差异大小，从而保证该投影屏幕具有高亮 度均匀性和高增益，实现良好的亮度均匀性和高增益的兼顾。

基于上述目的，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例 中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处描述的具体 实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。在不冲突的情况下， 下述各实施例及其中的技术特征可相互组合。另外还需要说明的是，为 了便于描述，所述附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1是本申请的投影屏幕第一实施例的微结构层的局部结构俯视图， 图2是图1所示的投影屏幕沿A-A方向的结构剖视图，请一并参阅图1 和图2，所述投影屏幕10的微结构层包括基体层12和形成于基体层12 表面的微结构单元，该微结构单元包括阵列排布的多个三棱锥单元11。

图3是图1所示的三棱锥单元11的结构透视图，请一并参阅图1～ 图3，单个三棱锥单元11具有棱1、棱2、棱3、棱4、棱5和棱6这六 条直线棱，其中，棱4、棱5和棱6依次首尾相连构成三角形的第一面 111，棱2、棱3和棱5依次首尾相连构成三角形的第二面112，棱1、 棱2和棱4依次首尾相连构成三角形的第三面113，棱1、棱3和棱6 依次首尾相连构成三角形的第四面114。

图4是图3所示的三棱锥单元11在垂直视角方向上的结构侧视图， 参阅图3和图4，棱1与第一面111之间的夹角为三棱锥单元11的顶角， 棱1与第二面112之间的夹角θ为三棱锥单元11的锥角。图5是图3 所示的三棱锥单元11在水平视角方向上的结构侧视图，参阅图3和图5， 第三面113和第四面114之间的夹角β为三棱锥单元11的跨度角。

请一并参阅图1～图5，所有三棱锥单元11的第一面111均位于同一 平面上，例如位于一厚度均匀的基体层12上，所有三棱锥单元11的锥 角θ均朝向同一侧，沿第一方向D1(例如图1所示的水平方向x)排布 的所有三棱锥单元11相同，包括结构和排布形状均相同，即这些沿第 一方向D1排布的三棱锥单元11的锥角θ也相同，而沿第二方向D2(例 如图1所示的竖直方向y)排布的三棱锥单元11的锥角θ不相同。

在本申请中，请一并参阅图3、图4和图5，从投影机出射的图像 光入射至投影屏幕10上之后，图像光经第一面111折射后照射至第二面 112，被第二面112反射的光的一部分(如图5所示的水平方向的光分量) 照射至第四面114并被第四面114反射而经由第一面111出射并被人眼 接收，被第三面113反射的光的又一部分(如图4所示的垂直方向的光 分量)照射至第一面111并经由第一面111出射并被人眼所接收。同理， 被第四面114的反射的光的一部分(例如水平方向的光分量)照射至第 三面113并被第三面113反射而经由第一面111出射并被人眼接收，被 第四面114反射的光的又一部分(例如垂直方向的光分量)照射至第一 面111并经由第一面111出射而被人眼接收。其中，第一面111不仅作 为投影屏幕101的光入射面，还作为投影屏幕10的光出射面，图像光 最终经由第一面111出射并被人眼所接收。

依据此原理，投影屏幕10的沿第二方向D2排布的多个三棱锥单元 11的锥角θ只需满足预定关系，即可使得从投影机出射的图像光经三棱 锥单元11反射后汇聚至以人眼为中心的范围内，以此降低不同观看位 置处的亮度差异大小，从而保证该投影屏幕具有高亮度均匀性和高增益。 具体而言：

在水平方向上，当投影机位于投影屏幕10的下半部分时，假定人 眼位于投影屏幕10的中间位置，为了尽可能的将图像光射向人眼位置， 以图4和图6为例，则所述锥角θ自下往上逐渐增大。

在水平方向上，当投影机位于投影屏幕10的上半部分时，仍假定 人眼位于投影屏幕10的中间位置，为了尽可能的将图像光射向人眼位 置，以图4为例，则所述锥角θ从上往下逐渐增大。

具体地，依据图4箭头所示的图像光传输路径，需要说明的是，图 4的图像光传输光路径并非实际的图像光传输路径，图像光在各界面的 入射角和反射角也并非图4所示的大小关系，图4仅仅是为了进一步说 明锥角θ在不同入射角和反射角时的角度变化趋势，三棱锥单元11具 有如下关系式：

sinα1＝n×sinα2...关系式1-2

sinα4＝n×sinα3...关系式1-3

其中，θ为所述三棱锥单元11的锥角，α1为图像光在入射时传输 至第一面111上的入射角，α2为图像光在入射时经第一面111后的折 射角，α3为图像光在出射时传输至第一面111上的入射角，α4为所述 图像光的出射角，n为三棱锥单元11的折射率。

上述三个关系式可以推导得到如下关系式1：

也就是说，沿所述第二方向D2排布的三棱锥单元11的锥角θ只要 满足上述关系式1，则在竖直方向y上，入射角α1和出射角α4在相邻 三棱锥微结构上是连续变化的，投影屏幕10上相邻三棱锥微结构的工 作角(即锥角)θ也是连续变化的，即如图6所示，上下相邻的三个三 棱锥单元11的锥角θ1、θ2和θ3是按照上述关系式1连续变化的。

当投影机位于投影屏幕10的下半部分时，假定人眼位于投影屏幕 10的中间位置，投影机出射的光束为锥形，对于投影屏幕10最下方的 三棱锥单元11，入射角α1最小，出射角α4最大，而对于投影屏幕10 较上方的三棱锥单元11，入射角α1逐渐变大，出射角α4逐渐变小； 又因为入射角α1和出射角α4的角度的变化在0-90°内，即

逐渐变大，

逐渐变小，由此，

逐渐变大

可见，所述锥角θ沿投影屏幕10自下往上逐渐增大。

而当投影机位于投影屏幕10的上半部分时，假定人眼位于投影屏 幕10的中间位置，投影机出射的光束为锥形，对于投影屏幕10最上方 的三棱锥单元11，入射角α1最小，出射角α4最大，而对于投影屏幕 10较下方的三棱锥单元11，入射角α1逐渐变大，出射角α4逐渐变小； 又因为入射角α1和出射角α4的角度的变化在0-90°内，即

逐渐变小，

逐渐变大，由此，

逐渐变小

可见，所述锥角θ沿投影屏幕10自下往上逐渐变小。

基于上述可知，在投影屏幕10的竖直方向y上，不同高度位置， 通过设置不同的工作角θ，即可使得从投影机出射至投影屏幕10的不 同位置上的图像光都汇聚至人眼所在范围内，如图7所示。

在具体的实际场景中，以三棱锥单元11的第三面113和第四面114 均做PVD(物理气象沉积)处理并使其表面的反射率为88％这一实施场 景为例，随着观看者在水平方向上偏离投影屏幕10的中心位置，即随 着观水平视角的变化，所述投影屏幕10的亮度均匀性可以均保持在80％ 以上，而现有的投影屏幕20的亮度均匀性均保持在30％以下，可见投 影屏幕10的亮度均匀性远远高于现有的投影屏幕20。而此时，投影屏 幕10的增益为4.9，远大于增益为1的情况，增益高。

为了提高光反射效率，上述三棱锥单元11的第二面112、第三面113 和第四面114上可以涂覆有反射材料，该反射涂料优选由铝、银等金属 反射材料和其他助剂混合而成，助剂包括流平剂、润湿剂与消泡剂等增 加涂布效果的一定比例的混合物，或者无水丙酮、无水二甲苯、无水环 已酮、无水丁酮、乙酸乙酯和无水醋酸丁醋等一定比例的混合物等。根据实际使用场景，反射涂料中也可以添加有适当的扩散材料以增强扩散 效果，该扩散材料包括但不限于为环氧系、丙烯酸系或者硅酮系有机树 脂颗粒，或者其他无机的散射材料。

请继续参阅图5，在水平方向x上，跨度角β为第三面113和第四 面114之间的夹角，所述β的取值范围为90°±20°。当β＝90°时， 从投影机出射的图像光入射至投影屏幕10上之后，图像光经第三面113 和第四面114的反射而传输至第一面111上，然后以与入射方向相同的 方向朝向投影机折射回来。如图8所示，在水平方向上的不同位置处， 投影机出射至投影屏幕10不同位置上的图像光都原路返回。当β≠90°， 投影机出射至投影屏幕10不同位置上的图像光并不能朝向投影机原路 返回，而是在观察面水平方向上成为一条焦线，其中假设δ＝90°-β， δ的绝对值越大，焦线的长度越长。

请继续参阅图2，所述投影屏幕10还可以包括扩散层12、反射层 13和保护层14，当然也可以包括这三者的任意组合。阵列排布的多个 三棱锥单元11构成投影屏幕10的光学结构层，光学结构层可以通过热 压印或UV胶水转印的方式制备在透明的衬底12上，衬底12包括但不 限于由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、PVC(聚氯乙 烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等有机材料制备。当然，所述衬底 12也可以由厚度均匀的扩散层12构成，所述扩散层12的厚度可以为 100um-1000um，其材料可以是环氧系、丙烯酸系或者硅酮系有机树脂颗 粒，或者其他无机的散射材料。于此，所述光学结构层贴合于扩散层12 上且三棱锥单元11的第一面111与该扩散层12贴合。反射层13覆盖光 学结构层，该反射层13中可以掺杂有用于实现光散射的散射粒子，以 增强光散射效果。保护层14覆盖于投影屏幕10的最外侧，该保护层14 可以采用隔水隔氧的材料制备，以保护内部结构。

上述扩散层12、光学结构层、反射层13及保护层14可以通过胶水 贴合共同实现高增益、高亮度均匀性的投影屏幕10。

请继续参阅图1，沿所述水平方向x，相邻两个三棱锥单元11之间 为透光区域15，也就是说，本实施例的光学结构层有一半区域是三棱锥 微结构，另一半区域是空置的，于此，本实施例的投影屏幕10可适用 于需要既能呈现前景图像，同时也能看到后景内容的场合。

不同于前述实施例，所述光学结构层空置的区域，即位于同一行上 相邻两个三棱锥单元11之间的区域，可以设有涂黑层，该涂黑层用于 吸收照射至其上的光线，于此，从投影屏幕10背后照射而来的光线(可 视为环境光)可以被涂黑层吸收，使得投影屏幕10具有较高的抗环境 光能力，可以适用于不需要看到背景的场景，还具有较高的抗环境光能 力。

当然，位于同一行上相邻两个三棱锥单元11之间的区域，本申请 的投影屏幕10还可以设置有其他非透光结构。从投影屏幕10背后照射 而来的光线可以被该非透光结构遮挡，使得本实施例的投影屏幕10具 有较高的抗环境光能力，可以适用于不需要看到背景的场景。

进一步地，不同于前述实施例，位于同一行上，相邻两个三棱锥单 元11之间的区域可以设置有光学涂料层。该光学涂料层可以由金属反 射材料、黑色吸收材料和其他助剂以及扩散材料组成，可以根据实际使 用需求调节反射涂料各部分材料的比例，以此调节光学涂料层162的光 透射率和光反射率。由于光学涂料层162不仅具有光吸收能力，还具有光反射和光扩散能力，于此，投影屏幕10不仅具有较高的抗环境光能 力以适用于不需要看到背景的场景，还能够通过光反射和光扩散能力提 高照射至人眼的光强度，具有较高的增益。

图9是本申请的投影屏幕第二实施例的局部结构俯视图。如图9所 示，不同于前述图1所示实施例，位于同一行上，相邻两个三棱锥单元 11之间设有反结构棱镜17，在垂直于投影屏幕10的视线方向上，虽然 任一三棱锥单元11和相邻的反结构棱镜17呈中心对称，且三棱锥单元 11的第一面111与相邻反结构棱镜17的第一面的朝向相同。于此，三 棱锥单元11和反结构棱镜17的顶角的朝向相反，例如，结合图9所示， 三棱锥单元11的顶角朝上，则反结构棱镜17的顶角朝下。

即，三棱锥单元11和反结构棱镜17的第一面111均朝向投影机。 换言之，位于同一行上，三棱锥单元11和反结构棱镜17呈中心对称的 依次交错设置。

需要注意的是，所有三棱锥单元11的第一面111均位于同一平面上， 例如图2所示的基底层12的右侧表面上，而所有反结构棱镜17的第一 面也均位于同一平面上，例如也位于图2所示的基底层12的右侧表面 上。另外，正是基于三棱锥单元11和反结构棱镜17的上述设置，所有 反结构棱镜17的锥角θ满足如下：

在水平方向上，当投影机位于投影屏幕10的下半部分时，假定人 眼位于投影屏幕10的中间位置，为了尽可能的将图像光射向人眼位置， 以图4为例，则所述三棱锥单元11的锥角θ自下往上逐渐增大。由此 可见，投影机位于投影屏幕10的下方，图像光经三棱锥单元11反射后 汇聚至以人眼为中心的范围内，以此降低不同观看位置处的亮度差异大 小，从而保证该投影屏幕10具有良好的均匀性和高增益。

在水平方向上，当投影机位于投影屏幕10的上半部分时，仍假定 人眼位于投影屏幕10的中间位置，为了尽可能的将图像光射向人眼位 置，则所述反结构棱镜17的锥角从上往下逐渐增大，自上往下反结构 棱镜17的锥角也满足上述关系式1。由此可见，投影机位于投影屏幕10的上方，图像光经反结构棱镜17反射后汇聚至以人眼为中心的范围 内，以此降低不同观看位置处的亮度差异大小，从而也能够保证该投影 屏幕10具有良好的均匀性和高增益。

在水平方向上，当投影机位于投影屏幕10的下半部分时，假定人 眼位于投影屏幕10的中间位置，为了尽可能的将图像光射向人眼位置， 以图4为例，则所述三棱锥单元11的锥角θ自下往上逐渐增大。由此 可见，投影机位于投影屏幕10的下方，图像光经三棱锥单元11反射后 汇聚至以人眼为中心的范围内，以此降低不同观看位置处的亮度差异大 小，从而保证该投影屏幕10具有良好的均匀性和高增益。

综上，无论投影机位于投影屏幕10的上方还是下方，投影屏幕10 均能实现高亮度均匀性和高增益。

当然，在另一实施例中，位于同一行上，相邻两个三棱锥单元11 之间设有反结构棱镜17，该反结构棱镜17和三棱锥单元11的结构相同， 在垂直于投影屏幕10的视线方向上，任一三棱锥单元11和相邻的反结 构棱镜17呈中心对称，但是，三棱锥单元11的第一面111与相邻反结 构棱镜17的第一面的朝向相反。即，三棱锥单元11的第一面111朝向 投影机，而反结构棱镜17的第一面背向投影机。于此，本实施例的投 影屏幕10的两面均可以实现高亮度均匀性和高增益。

应理解，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专 利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程 变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其 他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

另外，需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”仅用于描 述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技 术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐 含地包括至少一个该特征。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三 个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸 如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图 所示)下各部元件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态 发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

Claims (11)

1.一种投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕至少包括微结构层，所述微结构层包括基体层和形成于所述基体层表面的微结构单元；

其中，所述微结构单元包括阵列排布的多个三棱锥单元，所述三棱锥单元包括贴合于所述基体层表面的光出射面，沿第一方向排布的所述多个三棱锥单元相同，沿与所述第一方向垂直的第二方向排布的多个三棱锥单元的锥角渐变，其中所述锥角为所述三棱锥单元中平行于第二方向的棱和底面的夹角，所述底面为所述三棱锥单元的除光出射面和相交形成所述棱的两个面之外的面。

2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，沿所述第二方向排布的三棱锥单元的锥角满足如下关系式：

其中，θ为所述三棱锥单元的锥角，α1为所述图像光的入射角，α4为所述图像光的出射角，n为三棱锥单元的折射率。

3.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，沿所述第一方向，相邻两个所述三棱锥单元之间为透光区域。

4.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，沿所述第一方向，相邻两个所述三棱锥单元之间设置有非透光结构。

5.根据权利要求1或4所述的投影屏幕，其特征在于，在所述第一方向上相邻两个所述三棱锥单元之间设置有光学涂料层，所述光学涂料层包括反射材料、光吸收材料及光扩散材料的任意组合。

6.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，沿所述第一方向，相邻两个所述三棱锥单元之间设有反结构棱镜，所述反结构棱镜和三棱锥单元的结构相同，任一三棱锥单元和相邻的反结构棱镜呈中心对称，且所述三棱锥单元的光出射面与所述反结构棱镜的光出射面的朝向相同。

7.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，相交形成所述棱的两个面之间的夹角的取值范围为90°±20°。

8.根据权利要求1～7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、反射层和保护层的任意组合，所述微结构单元设置于所述扩散层上且所述三棱锥单元的光出射面与所述扩散层贴合，所述反射层覆盖所述微结构单元，所述保护层覆盖于所述投影屏幕的最外侧。

9.根据权利要求8所述的投影屏幕，其特征在于，所述反射层中掺杂有用于实现光散射的散射粒子。

10.根据权利要求8所述的投影屏幕，其特征在于，所述扩散层为厚度均匀的层结构，且为所述投影屏幕的所述基体层。

11.根据权利要求10所述的投影屏幕，其特征在于，所述扩散层的厚度介于100～1000um之间。

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