CN100549813C - 反射屏幕 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种反射屏幕，包括光扩散层、覆板、干涉滤光片以及光吸收层。该干涉滤光片是由多数高光折射率层以及低光折射率层交互叠合而成。本发明以背向反射的观念开创正投影显示反射屏幕，使之在不同的光入射角具有较小的光谱偏移量且频带较窄，故影像质量的对比较高，同时具有高折射属性以及制作工艺简易等优点。

Description

反射屏幕

技术领域

本发明关于一种用于投影机的反射屏幕，特别关于一种可增加显示影像对比的反射屏幕。

背景技术

正投影式显示装置，即传统的投影机，需将影像信号投射至一反射屏幕，使用者眼睛再观看反射自该反射屏幕的影像信号。传统反射屏幕是由可挠性材料所制成，以便于卷动及收纳。然而，此种传统屏幕有一个普遍的缺点，亦同时反射环境光源，使得影像信号的对比度降低。

近来用于正投影显示装置的反射屏幕由以下三方面进行改良：(1)在较亮的环境光源下可增进影像对比；(2)优选的挠性以及耐久性；以及(3)制造成本的降低。

美国专利第5,335,022号公开一种高对比的屏幕，该专利是选择经偏振化的投影机光学信号而非环境光，借以增进影像对比。该屏幕贴附一偏振滤光层，使来自于该投影机以及平行于该滤光层的光学信号通过，并滤除经偏振化且垂直于该滤光层的环境光源。由于该屏幕必须借由预先偏振化的环境光源才可达成增进影像对比的效果，因此该屏幕并不实用。

美国专利第5,625,489号公开一种组合屏幕，该屏幕是由一反射板以及三层的偏振控制层所构成，该偏振化控制层具有双凸透镜状的透镜片材夹合于前方的感光偏振膜以及后方的四分之一波片(1/4 wave plate)之间。由于投影机发出的光学信号是由该透镜片材聚焦并反射，故可活化该感光偏振膜使得该膜转为光线可通过。环境光由前方照射时，一半的光是由该感光偏振膜所阻隔，且另一半的光通过该四分之一波片后经反射板反射后再度通过该四分之一波片，故该另一半的光亦可被该偏振膜所阻隔。该发明的组合屏幕具有可挠性差且不易收纳的缺点。

美国专利第6,987,610号公开一种正投影屏幕，该屏幕是由基材、吸收材料以及最上层的发光材料所组成。该发光材料是由来投影机的影像信号光所激发，同时再发射该投影机的影像信号。该光吸收层吸收环境光中红绿蓝三原色之外的色光，故可增进对比。该正投影屏幕的信号强度转换率不佳。

美国专利公开案第2004/0150883号公开一种投影屏幕，该投影屏幕具有较高影像对比、容易携带、挠性较佳、成本较低的优点。如图1A所示，该屏幕是由可吸收光的基材20、光学膜21、光扩散层22以及保护层23所构成。该光学膜21是以高光折射率材料H1-H51以及低光折射率材料L1-L51交互叠合而成。该光学膜是非吸收层，且对于红绿蓝三原色频宽而言为高反射带。由于该影像信号是由红绿蓝三色光所组成，故该投影屏幕适用于反射来自于投影机的影像信号。该屏幕的光学膜在光线入射角为0°以及30°时的反射光谱比较如图1B所示。

美国专利公开案第2004/0240053号公开另一种具有光学薄膜的反射屏幕。该屏幕的特征为具有溶剂的聚合物材料。如图2A所示，该屏幕是由光吸收层34、透明基材30、光学多层膜31、角度校正层33以及光扩散层34所构成。其中该光学多层膜31是由以高光折射率材料1H-9H以及低光折射率材料1L-9L交互叠合而成。该屏幕的光学膜在光线入射角为0°以及30°时的反射光谱比较如图2B所示。

以上两种正投式反射屏幕，虽有增加彩色以及成像对比的优点，然而其在系统及薄膜设计上仍有缺失，因此如何设计出一种投影机用的反射屏幕，具有优选的显示效果，特别是在高亮度的环境光下，可改善影像对比，并减少制作成本，即为本发明所探讨的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种投影机用的反射屏幕，在相同的环境光源之下可获得较佳的影像对比。

本发明的另一目的在于提供一种反射屏幕，在具有优选影像对比的优点时，仍具有成本优选的优点。

本发明的又一目的在于提供一种反射屏幕，可挠性佳且容易收纳。

本发明提供一种反射屏幕，包括一光吸收层；一干涉滤光片，形成在该光吸收层表面，用以反射光线并使得光线在入射时产生光谱偏移；一覆板，形成在该干涉滤光片表面；以及一光扩散层，形成在该覆板表面。

依据本发明的反射屏幕，主要是以全介质所构成，亦可称之为非吸收光学干涉膜，作为该反射屏幕的色彩选择反射层。

附图说明

图1A显示传统反射屏幕的横截面图；

图1B显示图1A所示的反射屏幕，其反射光谱在不同入射角时的差异；

图2A显示另一传统反射屏幕的横截面图；

图2B显示图2A所示的反射屏幕，其反射光谱在不同入射角时的差异；

图3显示本发明的反射屏幕的横截面结构；

图4A显示本发明一优选实施例的反射屏幕的横截面图；

图4B显示图4A的反射屏幕，其反射光谱在不同入射角时的差异；

图5显示入射光从单一入射接口通过本发明的反射屏幕的覆板，经干涉滤光片反射后回到该单一入射界面的示意图；

图6显示单一光线由不同接口反射产生相位差的示意图；

图7显示不同的材料在不同入射角时，光谱偏移量的变化；以及

图8显示不同光折射率的材料在0°以及60°时，光谱偏移量的变化。

主要组件符号说明

20   基材         201     光线

21   光学膜       203     光线

22   光扩散层     205     光线

23   保护层       a       入射角

30   透明基材     a₀      角度

31   光学多层膜   d       薄膜厚度

33   角度校正层   H1-H51  高光折射率层

34   光吸收层     1H-9H   高光折射率层

100  反射屏幕     H1-H23  高光折射率层

102  干涉滤光片   L1-L50  低光折射率层

103  光扩散层       1L-9L    低光折射率层

104  光吸收层       L1-L22   低光折射率层

200  薄膜           n        薄膜折射率

n₀   入射介质折射率  n_s       基材介质折射率

n(z) 薄膜折射率

具体实施方式

以下参照相关附图，说明依据本发明所实施的反射屏幕。

以下以图3说明本发明的概念。如图3所示，本发明的反射屏幕由光入射的方向依序是由光扩散层103、覆板101、干涉滤光片102以及光吸收层104所构成。入射的影像信号是由三原色的色光(分别以R、G、B表示)所组成。除了影像信号之外，另有白色的环境光源(以W表示)入射至该反射屏幕。该干涉滤光片102是由高折射率层以及低折射率层交错叠合而成，其中，该高光折射率层可以由Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂或HfO₂所构成，该低光折射率层可以由SiO₂、Al₂O₃或MaF₂所构成。在本发明中，因为干涉滤光片可反射特定波长的光，故红绿蓝三色色光可反射出该反射屏幕，环境光中无法由干涉滤光片反射的部份即通过干涉滤光片102由光吸收层104所吸收。

假设影像质量相当于「信号强度/非信号强度」，且该影像质量包括「色度以及对比」。在投影机信号为1000流明，环境光为100流明的情况下，三原色色光以相同照度组成白光，即红绿蓝三色色光各占白色色光的三分之一。那么传统反射屏幕的影像质量为：

(1000/3+100/3)/(100*2/3)＝5.5

然而，在本发明的优选实施例的反射屏幕中，该干涉滤光片反射的照度比例为0.5(即可见光一半反射另一半穿透)，那么本发明的反射屏幕的影像质量为：

(1000/3+0.5*100/3)/(0.5*100*2/3)＝10.6

相较之下，本发明的反射屏幕的影像质量较传统屏幕有近乎2倍的效果。

由于干涉滤光片的光谱宽度较窄，即对于不同色光的波长选择性较高。因此，在用于以LED或以雷射作为光源的投影机时，若该干涉滤光片之反射照度的比例为0.1时，该反射屏幕的影像质量可达到约10倍的效果。

在本发明中，该干涉滤光片102是置于覆板101之后，因此由投影机发出的影像信号从该覆板101的入射面，即光扩散层103，进入该反射屏幕。

图4A是依据本发明的一反射屏幕100的截面图，该反射屏幕100由光入射的方向依序是由光扩散层103、覆板101、干涉滤光片102以及光吸收层104所构成，其中该干涉滤光片102是由高光折射率层H1-H23以及低光折射率层L1-L22交错叠合而成。在本实施例中，该覆板101为一固态透明片材，其后表面设置有该干涉滤光片102而前表面设置有薄膜状光扩散层103用以面向入射的投影机影像信号以及环境光。在该干涉滤光片102之后设有光吸收层104，该光吸收层104为暗色或黑色，用以吸收通过该干涉滤光片102的光线，以避免该光线再度反射。

在本发明的所有实施例中，光折射率的高低是指各层的折射率的相对值，并不限于特定范围的折射率。

在本实施例中，该覆板101是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料所构成且光折射率大于1.4。

该干涉滤光片102是以多个层的高光折射率材料以及低光折射率材料交互叠合在该覆板101之上。为考虑到该反射屏幕的可挠性，该干涉滤光片102所含有高/低光折射率材料层以不超过60层为宜。在本实施例中，该干涉滤光片102优选是由23层的氧化锆以及22层的氧化铝所交错叠合而成，其中氧化锆以及氧化铝的光折射率分别为2.05以及1.62。

图4A所示的干涉滤光片102的光谱反射率如图4B所示。在本实施例中，光线入射角为0°以及30°时，红绿蓝三色的光谱反射率曲线分别偏移了22nm、19nm以及16nm，即各色光的平均光谱偏移量小于0.66nm/deg。

在本发明中，该覆板101是作为投影机发出的光线以及环境光的波导接口。如图5所示，由于厚度为d的覆板101的光折射率n(z)大于该反射屏幕表面的光折射率(即空气的光折射率)，故来自外界的光进入该波导接口后以角度a折射，经由干涉层102反射后再以a角度回到该反射屏幕表面。然后以大于角度a的角度a₀依据斯涅耳定律射入屏幕的入射介质中。因此，该反射屏幕的视角得以扩大，同时此一视角可由该覆板101，即波导界面的折射率n(z)以及厚度d来进行控制。

依据本发明的优选实施例，该覆板101的光入射表面可进行图案化来形成该光扩散层103，该光扩散层103可为阵列或任意图案。亦可以双凸透镜状片材或珠状材料贴附在该覆板101的光入射表面，只要能达成光线散射的效果即可。

依据本发明的优选实施例，该光吸收层104涂覆一黑色、暗色颜料，或将多个层黑色吸收薄膜直接贴附在该干涉滤光片102的光入射面的另一面。该光吸收层104亦可为一可吸收光线的坚硬或可挠性片材。该光吸收层104材料的选用可根据制造者需求而定。

为说明本实施例的原理，请参照图6，一薄膜200的厚度为d且光折射率为n，夹合于光折射率为n₀的入射介质(一般为空气)以及光折射率为n_s的基板之间。一光线201由入射介质的方向进入该薄膜200中，该光线201在该薄膜表面的反射光为光线203，且该光线201通过该薄膜200折射再反射回入射介质的光线是以标号205表示。因此，该光线203及205的相位差为：

$\mathrm{\φ}=\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)2\mathrm{nd}\cos a$

其中a表示在薄膜200中的光入射角、d表示薄膜厚度、n表示光折射率、π为180度、λ表示入射光之波长以及φ表示相位差角度。由式中可知，在某一选定入射角欲维持相同相位差，意即最大折射率，膜的有效折射率大，波长也须大，因此其反射频谱偏移量小。

续参照图7。图7显示不同的材料(具有不同的光折射率n)在相同的膜厚度时，于一空气/膜/玻璃的情况下，光在0°以及60°的不同入射角时，光谱偏移的值。

由上述可知，光折射率高的干涉滤光片层可使得光谱偏移量减少。图8显示不同折射率的材料在0°以及60°的入射角产生的光谱偏移量变化。其中，阻，3L]6表示1单位厚度的高光折射率材料以及3单位厚度的低光折射率材料6重复共叠合12层；以及[3H，L]6表示3单位厚度的高光折射率材料以及1单位厚度的低光折射率材料6重复共叠合12层。由图8可知，[3H，L]6的光谱偏移量小于[H，3L]6。因此，该高光折射率层的厚度厚于该低光折射率层时，可缩小光谱偏移量。在本实施例中，该高光折射率层与该低光折射率层的厚度比优选为大于2。

再者，传统的反射屏幕是以多层的光学薄膜叠合而成，加上选用材料的特性，产生的残留应力并不利于产品的安定性及耐久性。由于反射屏幕需要相当的可挠性以利于卷动及收纳，故本发明的优选实施例所选用的材料亦考虑残留应力对于反射屏幕的影响。传统反射屏幕一般以多层溅镀的方式来制作，若选用SiO2以及Nb2O5常有收缩残留应力的问题，因此必须严格控制厚度来避免反射屏幕产生过大残留应力。在本发明的一优选实施例中，干涉滤光片层选用多数叠合的ZrO2/Al2O3层，可降低残留应力对于反射屏幕的影响。因为在单一的ZrO2/Al2O3接口区域，Al2O3有助于稳定ZrO2的结构。再者，该ZrO2层可掺杂微量的Y2O3，亦有助于消除残留应力。

综上所述，本发明的反射屏幕相较于传统反射屏幕，在光线以较大入射角照射时有较小的光谱偏移量，亦具有较窄的光谱宽度，故具有优选的影像显示质量。以下表一是本发明的反射屏幕与传统反射屏幕的比较。

表一

干涉滤光片选用的材料	Nb-2O5/SiO2(传统反射屏幕)	使用溶剂层的传统反射屏幕	ZrO2/Al2O3(本发明)
				层数(高/低折射率层)	51/50	9/9	27/26
折射率(高/低折射率层)	2.4/1.47	1.68/1.41	2.01/1.63
				厚度(高/低折射率层，nm)	1.14/2.16	9.2/7.0	3.38/1.12
光谱偏移量(0°-30°)红(nm)绿(nm)蓝(nm)	28(634-606)22(539-517)18(469-451)	32(640-608)22(532-519)20(460-440)	22(630-608)19(539-520)16(459-443)
				频带宽(50％)红，绿，蓝(nm)	45，31，22	15，10，7	34，28，25

本发明的反射屏幕具有以下优点：

(1)在本发明的反射屏幕中，该覆板借由控制厚度以及光折射率来作为一波导接口，故光线经由干涉滤光片反射之后再回到该反射屏幕表面时，该波导接口可提供较大的扩散角度。

(2)薄膜滤光片可挠性佳，较易卷动、收纳以及在一般环境下保护该反射屏幕。

(3)色光斜射角度使得光谱反射率曲线的偏移量变小，视角较大时可确保反射影像的对比及色度不变。

(4)相较于传统反射屏幕，本发明的干涉滤光片层仅需较少层数即可达到增加反射影像对比的效果。

(5)传统的反射屏幕需要卷动及收纳。本发明的反射屏幕中，由于膜层厚度与膜材匹配设计所产生的残留应力较低，故使用寿命较长。

以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于本发明中。

Claims (17)

1.一种反射屏幕，包括：

一光吸收层；

一干涉滤光片，形成在该光吸收层表面，用以反射光线并使得光线在入射时产生光谱偏移；

一覆板，形成在该干涉滤光片表面；以及

一光扩散层，形成在该覆板表面，

其特征在于，该干涉滤光片是由多个高光折射率层以及低光折射率层交错叠合而成，且该高光折射率层与该低光折射率层的厚度比大于2。

2.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该高光折射率层以及该低光折射率层的总层数不超过60层。

3.根据权利要求2所述的反射屏幕，其特征在于，该高光折射率层具有23层以及该低光折射率层具有22层。

4.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该高光折射率层是由Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂或HfO₂所构成。

5.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该低光折射率层是由SiO₂、Al₂O₃或MaF₂所构成。

6.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该高光折射率层是由ZrO₂所构成且该低光折射率层是由Al₂O₃所构成。

7.根据权利要求6所述的反射屏幕，其特征在于，该低光折射率层掺杂有Y₂O₃。

8.根据权利要求7所述的反射屏幕，其特征在于，该覆板是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)所构成且光折射率大于1.4。

9.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该覆板是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)所构成且光折射率大于1.4。

10.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该光扩散层是以该覆板表面经图案化所形成。

11.根据权利要求10所述的反射屏幕，其特征在于，该光扩散层为阵列或非阵列图案。

12.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该光扩散层为双凸透镜片材或珠状材料贴附在该覆板上。

13.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该光吸收层包含黑色或暗色颜料。

14.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该光吸收层是由多个层黑色薄膜贴附在该干涉滤光片所构成。

15.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该光吸收层为可吸收光线的坚硬或可挠性片材。

16.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，该反射屏幕为可挠的。

17.根据权利要求1所述的反射屏幕，其特征在于，在光入射角小于30度时，该干涉滤光片的平均光谱偏移量小于0.66nm/deg。

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