CN102023471A - 一种完全屏蔽环境光的正向投影屏 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有高增益，高对比度，可完全屏蔽环境光的正向投影屏幕。所述屏幕还具有高均匀性，无眩光，无莫尔条纹，高色彩饱和度特征。该投影屏采用一组微透镜列阵及两个孔径列阵的结构，使通过第一孔径列阵的投影光线被微透镜列阵聚焦并透过第二个孔径列阵到达观察窗口，其它偏离投影仪的光线则被吸收或阻挡。

Description

一种完全屏蔽环境光的正向投影屏

技术领域

本发明涉及正向投影屏及其制造方法，尤其涉及可屏蔽环境光的，具有高亮度和高对比度的正向投影屏。

背景技术

正向投影能够从很小的投影仪图像获得所需的大屏幕图像，原则上投影出的图像大小不受限制。然而随着投影图像的增大，来自投影仪的光能量被分散到与尺寸成平方关系增大的面积中，造成图像亮度急剧下降。另外，由于环境光的影响，图像的对比度也会大大降低。

单纯增加投影仪的光能量输出，可以改善投影图像的亮度，但会要求投影灯的功率输出增大，随之带来散热问题及投影灯的寿命问题，投影仪的体积和电功率消耗也会增加。提高投影仪的光能量输出也不能有效解决强环境光对投影图像的对比度影响问题。

如图1所示，普通的白屏幕(101)基于朗伯散射，将来自投影仪(102)的光能量分散到屏幕前半球的所有方向，其中许多是不需要的，如朝上方向(103)、朝下方向(104)、朝左方向(105)、朝右方向(106)，而有用的方向只在屏幕前方观众眼睛(107)所在的一条观察窗口(108)内，其水平方向的宽度(109)通常大于垂直方向(110)的宽度。

从如图1还可以看到，任意方向的环境光(111)也可在屏幕表面反射，所形成的光线(112)到达观察者，从而引起图像对比度和色彩饱和度的劣化。在很多情形下，劣化严重到不能看清投影仪所透射出的图像内容，不得不采取降低环境光或增加投影仪光功率输出的办法，以增加图像的对比度。然而，在很多情形下，环境光的干扰无法降低到所需要的程度。

从投影屏的光学性能着手是解决正向投影屏亮度和对比度的一条捷径，现有技术采用多种方案达到改善屏幕亮度和对比度的目的。很常见的是玻璃微珠屏，在屏幕上分散了大量微小的具有溯源反射性能的玻璃微珠，这些玻璃微珠将投影光反射回投影仪方向，大大增加了投影图像亮度。但这种屏幕有其局限性，如果投影仪偏离观众所在方向(如上挂式或地落式的情形)，观众看到的屏幕亮度会大大降低。另外，玻璃微珠反射的发散角为圆形，与前述之水平带有较大差距，故不能充分利用光能。此外，玻璃微珠之间的间隙仍旧具有朗伯散射的特征，不能充分抑制环境光的影响(降低屏幕的对比度)。

美国专利发明US7262912B2提供了对比度增强正向投影屏，采用了折射型微透镜阵列和孔径阵列及反射镜的组合，如图2所示，来者投影仪的光线(201)通过微透镜阵列(202)聚焦后所形成的光线(203)穿过一个孔径阵列(204)，被反射镜(205)反射，所形成的光线(206)再次穿过孔径阵列(204)，及微透镜阵列(202)，出射后的光线(207)去往观察者。而部分环境光被微透镜阵列聚焦后不能穿过孔径阵列，被吸收层(208)吸收，从而降低了环境光的影响。

上述发明的问题是，由于采用了相同的孔径阵列(204)作为入射和出射光的窗口，其孔径尺寸不能做得太小，否则视角会受到极大限制。但大的孔径尺寸又使得投影仪附近的光线也能通过孔径，从而不能有效消除环境光的影响。

图3是中国专利(申请号85105808)采用二维反射微透镜阵列(301)所发明的一种投影屏，可实现如前所述的带状反射，即在水平和垂直方向具有不同的发散角(α和β)，此特征是反射微透镜单元(302)在水平和垂直方向的光焦度不同形成的；另外，反射微透镜单元的低散射特性使得环境光不能散射，并偏离观察窗口，减少了环境光造成的对比度损失。然而该种屏幕有一个局限性，那就是屏幕上各处反射出的观察带并不重合，这是由于来自投影仪的投影光到达屏幕上各点的角度不同造成的。如图3b中来自投影仪(309)的光线到达屏幕(303)中间处，经微透镜单元(304)反射后形成一观察窗口(306)；而投影到屏幕左下方处的光线，经微透镜单元(305)反射后形成另一观察窗口(307)，只有在两个带交叉处(308)才能同时看到微透镜单元(304)和(305)处的图像。如需看到屏幕的整体图像，观察者需处在屏幕所有各点反射形成的所有观察窗口交叠处，由于屏幕上各点反射形成的观察窗口中间位置都有不同，交叠面积会远小于每个透镜所生成的观察窗口面积，限制了观察者的视场范围。

上述发明还有一个局限，虽然远离投影仪的光线不能到达观察窗口，但投影仪附近的光线可以到达观察窗口，从而降低图像的对比度和色彩饱和度。

发明内容

基于以上背景，本发明提供一种正向投影屏幕，尤其提供一种具有高增益，高对比度，消除环境光影响的正向投影屏幕，所述屏幕还具有高均匀性，无眩光，无莫尔条纹，高色彩饱和度特征。

本发明提供的正向投影屏的第一个方案(称为反射方案)，如图4所示，由下列结构组成：

1.一个基底(401)有第一面和第二面，由透明的光学材料组成；

2.一个吸收层(402)位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有第一个孔径阵列(403)和第二个孔径阵列(404)；

3.一个反射型微透镜阵列(405)位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射并聚焦来自吸收层第一个孔径阵列的投影光线至第二个孔径阵列；

4.一个阻挡层(406)(413)位于所说基底的第二面，与反射型微透镜阵列在观察窗口垂直方向(110)上交错。

基底的第一面与反射型微透镜阵列的焦平面重合；使得来自投影仪的光线(可看作准平行光)透过第一个孔径阵列后被反射型微透镜阵列反射，在基底的第一面聚焦，吸收层第二个孔径阵列与形成的焦点阵列位置对应，第二个孔径阵列的每个孔径等于或大于每个焦点的大小；因此，第二个孔径阵列是一个小孔阵列。

基底材料是透明的光学材料，如有机玻璃，光学玻璃，塑料，透明橡胶等。

反射型微透镜阵列在观察窗口垂直方向(110)上的单元宽度与吸收层第一个孔径阵列在此方向上的宽度相等；使得透过第一个孔径阵列的投影光线全部被反射型微透镜阵列反射。

来自投影仪的光线(407)透过吸收层第一个孔径阵列(403)，折射后的光线(408)被反射型微透镜阵列(405)发射并聚焦，聚焦光线(409)在吸收层第二个孔径阵列(404)处形成焦点，通过它并在界面折射形成去往观察窗口(108)的出射光线(410)。

投影仪附近的环境光线同样可以透过吸收层第一个孔径阵列，并被反射型微透镜阵列反射，然而由于其角度偏离投影仪方向，形成的焦点的位置也偏离第二个孔径阵列的小孔位置，从而被吸收层吸收。

基底第二面的阻挡层有两种可以应用的结构，一种是如图4a所示的光学吸收层(406)，附着在基底的第二面，与反射型微透镜阵列(405)在观察窗口垂直方向上交错。远离投影仪的环境光线(411)透过吸收层第一个孔径阵列，入射到光学吸收层的光线(412)被吸收，从而不对投影图像产生干扰。

阻挡层的第二种结构是如图4b所示的反射透镜阵列(413)，附着在基底的第二面，与反射型微透镜阵列(405)在观察窗口垂直方向上交错。该反射透镜阵列具有与反射型微透镜阵列相同的焦距，远离投影仪的环境光线(414)透过吸收层第一个孔径阵列折射形成光线(415)，入射到该区域的反射透镜阵列(413)，反射后的光线(416)再次透过吸收层第一个孔径阵列形成出射光线(417)，然而，这些光线不能到达观察窗口(108)，从而不对投影图像产生干扰。

如图5所示吸收层的一部分，(504)是观察窗口垂直方向，(505)是观察窗口水平方向。为充分阻挡投影仪以外的环境光线，使之不能到达观察窗口，吸收层第一个孔径阵列(501)的每个孔径在观察窗口垂直方向(504)上的宽度(507)应小于或等于所述吸收层在此方向上第一个孔径阵列(501)和第二个孔径阵列(503)的周期(506)的三分之一，大于此宽度将使得部分环境光进入到观察窗口，降低对比度。吸收层第一个孔径阵列可取为一维条状孔径光栅，在观察窗口水平方向(505)上连通。(502)是吸收层的吸收区域。

进一步，为补偿投影光线入射角度不同带来的影响，需使反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜。如图6所示，以微透镜(602)和(603)为例，由于它们所处的位置不同，投影光线(607)和(612)入射到屏幕基底(601)的角度也不同，微透镜也有不同程度的倾斜。投影光线(607)和(612)经过吸收层上的第一个孔径阵列(604)，首先被界面折射，进入到基底的光线(608)和(613)入射到微透镜(602)和(603)并被反射，形成聚焦光线(609)和(614)，透过吸收层上的第二个孔径阵列(605)，形成出射光线(610)和(615)去往同一观察窗口(606)。偏离投影仪方向的环境光线有的直接通过第一个孔及阵列(604)入射到阻挡层(616)被吸收，也有部分经过反射型微透镜反射到达吸收层并聚焦，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(605)不重合，故而被吸收层吸收。

需注意到，反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜是两维的，即在观察窗口垂直和水平方向依据其在屏幕上相对入射光线的角度不同而设计具有不同程度的倾斜，使得所有入射投影光线都能被反射到同一观察窗口，且观察窗口中心重合、大小相等。

反射型微透镜阵列每个透镜单元为矩形，包含正方形。为使观察窗口水平方向的视角大于垂直方向上的视角，透镜单元在观察窗口水平方向上的宽度大于其在观察窗口垂直方向上的宽度，因此，聚焦光线在此方向上有更大的发散角。两个方向具有相同的焦距，以使两个方向的光线都聚焦到吸收层上的第二个孔径阵列(605)。

反射型微透镜阵列是传统的凹面微透镜阵列或菲涅耳透镜阵列，透镜表面镀有反射膜，如金属膜，多层介质干涉膜。金属膜是一种较廉价的反射膜，一般用真空镀铝膜或化学镀银膜方法得到。在反射型微透镜阵列一面还可加一层支持和保护层，以保护反射型微透镜阵列的微浮雕结构并对屏幕起支撑作用，支持和保护层的材料可以是塑料、橡胶、金属、玻璃等及它们的复合材料。

在吸收层接受投影光线一面镀有一层抗反射层，以降低环境光线在该表面的菲涅尔反射，同时也降低投影光线在此表面的菲涅尔反射所产生的眩光。

上述结构的屏幕在观察窗口视角内能完全屏蔽环境光，结构简单易于制造。然而，上述结构也有一个缺点，就是对投影仪与观察窗口中心相对屏幕所张开的角度有一个限制，为彻底避免环境光在观察窗口内产生干扰，需使所述的角度大于或等于观察窗口相对屏幕所张开角度的1.5倍，限制了使用的环境。此外，投影光线在吸收层表面残余菲涅尔反射所产生的眩光也不能完全消除。

进一步，本发明提供的投影屏还包含有一个棱镜光栅阵列，附着在吸收层上，如图7所示，棱镜光栅阵列由两个楔角不同的一维棱镜光栅(717)和(716)交错而成，并分别与第一个孔径阵列(704)和第二个孔径阵列(705)在观察窗口垂直方向上对应。

投影光线(707)和(712)经过棱镜(717)及吸收层上的第一个孔径阵列(704)，在界面折射，进入到基底的光线(708)和(713)入射到微透镜(702)和(703)并被反射，形成聚焦光线(709)和(714)，透过吸收层上的第二个孔径阵列(705)并被棱镜(716)折射形成出射光线(710)和(715)去往同一观察窗口(706)。由于棱镜(716)的楔角大于棱镜(717)的楔角，降低了入射光线与出射光线的夹角。

棱镜光栅阵列还有一个作用，它使得棱镜表面的菲涅尔反射偏离屏幕的法线，从而使得菲涅尔反射不能达到观察窗口。进一步，还可在棱镜光栅阵列表面还镀有一层抗反射层，以消除环境光的菲涅尔反射。

进一步，棱镜光栅阵列还可采用二维棱镜阵列，其每个棱镜单元的角度依据所处位置上投影光线入射角度及与观察窗口中心的角度而设计，使得来自投影仪的光线透过该处的棱镜及吸收层第一个孔径阵列后被反射型微透镜阵列反射并聚焦，通过第二个孔径阵列及该处的棱镜，最后到达同一观察窗口；二维棱镜阵列的采用可以降低或取消反射型微透镜阵列单元的角度倾斜，使之更易制造。

本发明还提供了一种正向投影屏的第二种方案(称为透射方案)，结合图8，说明其结构如下：

1.一个基底(801)有第一面和第二面；

2.一个吸收层(816)位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有一个透过型微透镜阵列(804)和一个小孔阵列(805)；

3.一个微平面反射镜阵列(802)(803)位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射来自吸收层透过型微透镜阵列投影光线至小孔阵列。

4.一个阻挡层(817)位于所说基底的第二面，与微平面反射镜阵列在观察窗口垂直方向上交错，吸收入射到该区域的光线。

该种结构的正向投影屏与前述的屏幕(反射方案)出自同一思想，即用一个孔径阵列透过投影光线，用透镜阵列聚焦并使投影光线透过小孔阵列到达观察窗口，非投影光线则被吸收层或阻挡层吸收阻挡。

基底(801)的厚度等于透过型微透镜阵列(804)在基底材料中焦距的一半，吸收层上的小孔阵列与投影光线通过透过型微透镜阵列、微平面反射镜阵列后，聚焦在基底的第一面上形成的焦点阵列位置对应；

基底材料是透明的光学材料，如有机玻璃，光学玻璃，塑料，透明橡胶等。

微平面反射镜阵列单元在观察窗口垂直和水平方向上的宽度等于或大于吸收层上透过型微透镜阵列单元在这两个方向上的宽度的一半，保证了到达的光线被全部反射；而透过型微透镜阵列在观察窗口垂直方向上的单元宽度等于或小于周期的三分之一，保证了环境光线不能到达观察窗口；

阻挡层是一个一维条状吸收光栅，吸收入射到上面的光线，阻挡层在观察窗口水平方向上连通，在观察窗口垂直方向上与微平面反射镜阵列交错。

透过型微透镜阵列可以是凸面微透镜阵列，也可以是菲涅尔透镜阵列，每个透镜单元为矩形(含正方形)，在观察窗口水平方向上的宽度等于或大于其在观察窗口垂直方向上的宽度，两个方向具有相同的焦距，这样使得观察窗口的水平视角等于或大于垂直视角。吸收层上的小孔径阵列的每个孔径等于或大于投影光线通过透过型微透镜阵列及微平面反射镜阵列后在基底的第一面形成的每个焦点的大小，略大的孔径使得在使用过程中对投影仪的位置有一定的容差度。

进一步，微平面反射镜阵列每个平面镜光轴倾斜，倾斜程度依赖于入射投影光线的角度。投影光线(807)和(812)经过透过型微透镜阵列(804)，进入到基底形成聚焦光线(808)和(813)，该光线入射到倾斜的微平面反射镜(802)和(803)后被反射，形成聚焦光线(809)和(814)，透过吸收层上的小孔阵列(805)，形成出射光线(810)和(815)去往同一观察窗口(806)。偏离投影仪方向的环境光线有的直接通过透过型微透镜阵列(804)入射到阻挡层(817)被吸收，也有部分经过微平面反射镜反射到达吸收层并聚焦，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(805)不重合，故而被吸收层吸收。

微平面反射镜阵列单元可以是一个整体平面镜，也可以由多个相同角度的平面镜组成；微平面反射镜表面镀有反射膜，如金属膜，多层介质干涉膜。金属膜是一种较廉价的反射膜，较为常用，一般用真空镀铝膜或化学镀银膜方法得到。在反射型微透镜阵列一面还可加一层支持和保护层，与微平面反射镜阵列及阻挡层与投影仪方向相反的一面贴合，以保护微平面反射镜阵列的微浮雕结构并对屏幕起支撑作用，支持和保护层的材料可以是塑料、橡胶、金属、玻璃等及它们的复合材料。

在吸收层接受投影光线一面镀有一层抗反射层，以降低环境光线在该表面的菲涅尔反射，同时也降低投影光线在此表面的菲涅尔反射所产生的眩光。

与未加棱镜的反射方案类似，基于上述透射方案的屏幕在观察窗口视角内能完全屏蔽环境光，结构简单易于制造。然而，上述结构同样也有一个缺点，就是对投影仪与观察窗口中心相对屏幕所张开的角度有一个限制，为彻底避免环境光在观察窗口内产生干扰，需使所述的角度大于或等于观察窗口相对屏幕所张开角度的1.5倍，限制了使用的环境。此外，投影光线在吸收层表面残余菲涅尔反射所产生的眩光也不能完全消除。

进一步，与反射方案类似，引入一个棱镜光栅阵列，附着在吸收层小孔阵列上，如图9所示，所述的棱镜光栅阵列(919)是一个一维条状棱镜光栅，在观察窗口水平方向上连通，与透过型微透镜阵列(904)交错。投影光线(907)和(912)经过透过型微透镜阵列(904)，进入到基底形成聚焦光线(908)和(913)，该光线入射到倾斜的微平面反射镜(902)和(903)后被反射，形成聚焦光线(909)和(914)，透过吸收层上的小孔阵列(905)，被棱镜列阵(919)折射形成出射光线(910)和(915)去往同一观察窗口(906)。偏离投影仪方向的环境光线有的直接通过透过型微透镜阵列(904)入射到阻挡层(917)被吸收，也有部分经过微平面反射镜反射到达吸收层并聚焦，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(905)不重合，故而被吸收层吸收。

棱镜光栅阵列还有一个作用，它使得棱镜表面的菲涅尔反射光偏离屏幕的法线，从而使得之不能达到观察窗口。

进一步，还可在吸收层(棱镜光栅阵列和透过型微透镜阵列)表面镀一层介质抗反射层，以消除环境光的菲涅尔反射。

附图说明

图1普通白屏幕的散射情况，光能量没有被全部反射到观察带内

图2现有技术---带微透镜阵列和孔径阵列及反射镜的一种正向投影屏

图3a现有技术---用微透镜阵列作反射的一种正向投影屏

图3b现有技术---用微透镜阵列作反射的一种正向投影屏，不同位置的透镜反射后形成的观察带部分重合

图4a本发明提供的正向投影屏的第一种方案(反射方案)，由反射型微透镜阵列、阻挡层和吸收层组成，吸收层上含有两组孔径阵列，阻挡层为光学吸收层

图4b本发明提供的正向投影屏，由反射型微透镜阵列、阻挡层和吸收层组成，吸收层上含有两组孔径阵列，阻挡层为透镜阵列

图5本发明提供的正向投影屏，吸收层上两组孔径阵列的图案

图6本发明提供的正向投影屏，反射型微透镜阵列单元倾斜，以使反射光线全部到达同一观察窗口

图7本发明提供的正向投影屏，含有两个交错的棱镜阵列

图8本发明提供的正向投影屏的第二种方案(透射方案)，含有一个透射型微透镜阵列、一个微平面反射镜阵列和一个小孔阵列

图9本发明提供的正向投影屏的第二种方案(透射方案)，含有一个透射型微透镜阵列、一个微平面反射镜阵列、一个小孔阵列和一个棱镜光栅阵列

图10本发明提供的正向投影屏，吸收层上两组孔径阵列的图案，单元形状为边长不等的矩形

具体实施方式

[实施例1]

本发明提供的正向投影屏的一个实例如图5和图6所示，包含有：

1.一个基底(601)有第一面(617)和第二面(618)，基底材料是光学玻璃；

2.一个吸收层位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有第一个孔径阵列(604)和第二个孔径阵列(605)；

3.一个反射型微透镜阵列(602)(603)位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射并聚焦来自吸收层第一个孔径阵列的投影光线至第二个孔径阵列；

4.一个阻挡层(616)位于所说基底的第二面，与反射型微透镜阵列在观察窗口垂直方向(504)上交错。

阻挡层是光学吸收层，远离投影仪的环境光线透过吸收层第一个孔径阵列，入射到阻挡层被吸收，从而不对投影图像产生干扰。

图5所示吸收层的一部分，(504)是观察窗口垂直方向，(505)是观察窗口水平方向。为充分阻挡投影仪以外的环境光线，使之不能到达观察窗口，吸收层第一个孔径阵列(501)的每个孔径在观察窗口垂直方向(504)上的宽度(507)等于所述吸收层在此方向上第一个孔径阵列(501)和第二个孔径阵列(503)的周期(506)的三分之一。吸收层第一个孔径阵列为一维条状孔径光栅，在观察窗口水平方向上连通。吸收层第二个孔径阵列为一个小孔阵列，每个孔径略大于投影光线通过第一个孔径阵列及反射型微透镜阵列在基底的第一面形成的每个焦点的大小，小孔阵列为正方排列，即在两个方向(504)和(505)上有相等的周期；(502)是吸收层的吸收区域。

进一步，为补偿投影光线入射角度不同带来的影响，使反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜。如图6所示，以微透镜单元(602)和(603)为例，由于它们所处的位置不同，投影光线(607)和(612)入射到屏幕基底(601)的角度也不同，微透镜也有不同程度的倾斜。投影光线(607)和(612)经过吸收层上的第一个孔径阵列(604)，首先被界面折射，进入到基底的光线(608)和(613)入射到微透镜(602)和(603)并被反射，形成聚焦光线(609)和(614)，透过吸收层上的第二个孔径阵列(605)，形成出射光线(610)和(615)去往同一观察窗口(606)。偏离投影仪方向的环境光线有的直接通过第一个孔及阵列(604)入射到阻挡层(616)被吸收，也有部分经过反射型微透镜反射到达吸收层并聚焦，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(605)不重合，故而被吸收层吸收。

反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜是两维的，即在观察窗口垂直和水平方向依据其在屏幕上相对入射光线的角度不同而设计具有不同程度的倾斜，使得所有入射投影光线都能被反射到同一观察窗口，即观察窗口中心重合，大小相等。

反射型微透镜阵列每个透镜单元为正方形，透镜单元在观察窗口水平方向上的宽度等于其在观察窗口垂直方向上的宽度。两个方向具有相同的焦距，以使两个方向的光线都聚焦到吸收层上的第二个孔径阵列(605)。观察窗口水平方向的视角等于垂直方向上的视角。

反射型微透镜阵列是传统的凹面微透镜阵列，透镜表面用真空方式镀有金属铝膜。在反射型微透镜阵列一面加有一层支持和保护层，是塑脂和玻璃的双层复合材料，以保护反射型微透镜阵列的微浮雕结构并对屏幕起支撑作用，

在吸收层接受投影光线一面镀有一层抗反射介质膜，以降低环境光线在该表面的菲涅尔反射，同时也降低投影光线在此表面的菲涅尔反射所产生的眩光。

[实施例2]

本发明提供的正向投影屏的一个实例如图7和图10所示，包含有：

1.一个基底(701)有第一面(718)和第二面(719)，基底材料是有机玻璃；

2.一个吸收层位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有第一个孔径阵列(704)和第二个孔径阵列(705)；

3.一个反射型微透镜阵列(702)(703)位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射并聚焦来自吸收层第一个孔径阵列的投影光线至第二个孔径阵列；

4.一个阻挡层(719)位于所说基底的第二面，与反射型微透镜阵列在观察窗口垂直方向(1004)上交错。

5.一个棱镜光栅阵列，附着在吸收层上，如图7所示，棱镜光栅阵列由两个楔角不同的一维棱镜光栅(717)和(716)交错而成，并分别与第一个孔径阵列(704)和第二个孔径阵列(705)在观察窗口垂直方向上对应。

阻挡层是光学吸收层，远离投影仪的环境光线透过吸收层第一个孔径阵列，入射到阻挡层被吸收，从而不对投影图像产生干扰。

图10所示吸收层的一部分，(1004)是观察窗口垂直方向，(1005)是观察窗口水平方向。为充分阻挡投影仪以外的环境光线，使之不能到达观察窗口，吸收层第一个孔径阵列(1001)的每个孔径在观察窗口垂直方向(1004)上的宽度(1007)等于所述吸收层在此方向上第一个孔径阵列(1001)和第二个孔径阵列(1003)的周期(1006)的三分之一。吸收层第一个孔径阵列为一维条状孔径光栅，在观察窗口水平方向上连通。吸收层第二个孔径阵列为一个小孔阵列，每个孔径略大于投影光线通过第一个孔径阵列及反射型微透镜阵列在基底的第一面形成的每个焦点的大小，小孔阵列为矩形排列，方向(1005)上的周期大于另一方向(1004)上的周期；(1002)是吸收层的吸收区域。

进一步，为补偿投影光线入射角度不同带来的影响，使反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜。如图7所示，以微透镜单元(702)和(703)为例，由于它们所处的位置不同，投影光线(707)和(712)入射到屏幕基底(701)的角度也不同，微透镜也有不同程度的倾斜。投影光线(707)和(712)经过棱镜(717)及吸收层上的第一个孔径阵列(704)，在界面折射，进入到基底的光线(708)和(713)入射到微透镜(702)和(703)并被反射，形成聚焦光线(709)和(714)，透过吸收层上的第二个孔径阵列(705)并被棱镜(716)折射形成出射光线(710)和(715)去往同一观察窗口(706)。由于棱镜(716)的楔角大于棱镜(717)的楔角，降低了入射光线与出射光线的夹角。

反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜是两维的，即在观察窗口垂直和水平方向依据其在屏幕上相对入射光线的角度不同而设计具有不同程度的倾斜，使得所有入射投影光线都能被反射到同一观察窗口，即观察窗中心重合、大小相等。

反射型微透镜阵列每个透镜单元与吸收层上的第二个孔径阵列对应，为边长不等的矩形，透镜单元在观察窗口水平方向上的宽度大于其在观察窗口垂直方向上的宽度。两个方向具有相同的焦距，以使两个方向的光线都聚焦到吸收层上，并使观察窗口水平方向的视角大于垂直方向上的视角。

反射型微透镜阵列是传统的凹面微透镜阵列，透镜表面用化学镀膜方式镀有金属银膜。在反射型微透镜阵列一面加有一层支持和保护层，是橡胶和金属铝板的双层复合材料，以保护反射型微透镜阵列的微浮雕结构并对屏幕起支撑作用。

在吸收层接受投影光线一面镀有一层抗反射介质层，以降低环境光线在该表面的菲涅尔反射，同时也降低投影光线在此表面的菲涅尔反射所产生的眩光。

[实施例3]

本实施例采用本发明提供的第二种方案(即透射方案)，结合图9和图10，说明其结构如下：

1.一个基底(901)有第一面(916)和第二面(918)；

2.一个吸收层位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有一个透过型微透镜阵列(904)和一个小孔阵列(905)；

3.一个微平面反射镜阵列(902)(903)位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射来自吸收层透过型微透镜阵列的投影光线至小孔阵列；

4.一个阻挡层(917)位于所说基底的第二面，与微平面反射镜阵列在观察窗口垂直方向上交错，吸收入射到该区域的光线；

5.一个棱镜光栅阵列(919)，附着在吸收层小孔阵列上。所述的棱镜光栅阵列是一个一维条状棱镜光栅，在观察窗口水平方向上连通，与透过型微透镜阵列(904)交错。

阻挡层是光学吸收层，远离投影仪的环境光线透过吸收层透过型微透镜阵列，入射到该层后被吸收，从而不对投影图像产生干扰。

图10所示吸收层的一部分，(1004)是观察窗口垂直方向，(1005)是观察窗口水平方向。为充分阻挡投影仪以外的环境光线，使之不能到达观察窗口，吸收层第一个孔径阵列(1001)的每个孔径在观察窗口垂直方向(1004)上的宽度(1007)等于所述吸收层在此方向上第一个孔径阵列(1001)和第二个孔径阵列(1003)的周期(1006)的三分之一。吸收层第一个孔径阵列为一维条状孔径光栅，在观察窗口水平方向上连通。吸收层第二个孔径阵列为一个小孔阵列，每个孔径略大于投影光线通过透过型微透镜阵列和微平面反射镜阵列在基底的第一面形成的每个焦点的大小，小孔阵列为矩形排列，方向(1005)上的周期大于另一方向(1004)上的周期；(1002)是吸收层的吸收区域。

进一步，为补偿投影光线入射角度不同带来的影响，使微平面反射镜阵列每个单元光轴倾斜。如图9所示，以微平面反射镜单元(902)和(903)为例，由于它们所处的位置不同，投影光线(907)和(912)入射到屏幕基底(901)的角度也不同，微平面反射镜也有不同程度的倾斜。

投影光线(907)和(912)经过透过型微透镜阵列(904)，进入到基底形成聚焦光线(908)和(913)，该光线入射到倾斜的微平面反射镜(902)和(903)后被反射，形成聚焦光线(909)和(914)，透过吸收层上的小孔阵列(905)，被棱镜列阵(919)折射形成出射光线(910)和(915)去往同一观察窗口(906)。偏离投影仪方向的环境光线有的直接通过透过型微透镜阵列(904)入射到阻挡层(917)被吸收，也有部分经过微平面反射镜反射到达吸收层并聚焦，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(905)不重合，故而被吸收层吸收。

微平面反射镜阵列每个单元光轴倾斜是两维的，即在观察窗口垂直和水平方向依据其在屏幕上相对入射光线的角度不同而设计具有不同程度的倾斜，使得所有入射投影光线都能被反射到同一观察窗口，即观察窗口中心重合、大小相等。

透过型微透镜阵列的单元为边长不等的矩形，透镜单元在观察窗口水平方向上的宽度大于其在观察窗口垂直方向上的宽度。两个方向具有相同的焦距，以使两个方向的光线都聚焦到吸收层上，并使观察窗口水平方向的视角大于垂直方向上的视角。

微平面反射镜阵列每个单元与吸收层上的透过型微透镜阵列单元形状相似，尺寸大于或等于透过型微透镜阵列单元尺寸的一半，使得入射到微平面反射镜阵列上的光线都能被反射。

微平面反射镜阵列表面用化学镀膜方式镀有金属银膜。在反射型微透镜阵列一面加有一层支持和保护层，是橡胶和金属铝板的双层复合的材料，以保护反射型微透镜阵列的微浮雕结构并对屏幕起支撑作用。

在吸收层接受投影光线一面(透过型微透镜阵列和棱镜列阵)镀有一层抗反射介质层，以降低环境光线在该表面的菲涅尔反射，同时也降低投影光线在此表面的菲涅尔反射所产生的眩光。

Claims (36)

1.一种正向投影屏，其特征在于，包含有：

一个基底有第一面和第二面；

一个吸收层位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有第一个孔径阵列和第二个孔径阵列；

一个反射型微透镜阵列位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射并聚焦来自吸收层第一个孔径阵列的投影光线至第二个孔径阵列；

一个阻挡层位于所说基底的第二面，与反射型微透镜阵列在观察窗口垂直方向上交错。

2.根据权利要求1所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的基底的第一面与反射型微透镜阵列的焦平面重合；吸收层第二个孔径阵列与投影光线通过第一个孔径阵列后被反射型微透镜阵列反射并聚焦在基底的第二面上形成的焦点阵列位置对应。

3.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的反射型微透镜阵列在观察窗口垂直方向上的单元宽度与吸收层第一个孔径阵列在此方向上的宽度相等。

4.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的阻挡层是一个光学吸收层，吸收入射到该区域的光线。

5.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的阻挡层是一个反射透镜阵列，具有与反射型微透镜阵列相同的焦距。

6.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，所述的第二个孔径阵列的每个孔径等于或大于投影光线通过第一个孔径阵列及反射型微透镜阵列在基底的第一面形成的每个焦点的大小。

7.根据权利要求3所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的吸收层第一个孔径阵列的每个孔径在观察窗口垂直方向上的宽度小于或等于所述吸收层在此方向上第一和第二个孔径阵列的周期的三分之一。

8.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的吸收层第一个孔径阵列是一个一维条状孔径光栅，在观察窗口水平方向上连通。

9.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的反射型微透镜阵列每个透镜单元光轴倾斜，倾斜程度依赖于入射投影光线的角度，以反射来自吸收层上第一个孔径阵列的投影光线至吸收层上的第二个孔径阵列，使反射光线到达同一观察窗口(108)。

10.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的反射型微透镜阵列每个透镜单元为矩形，在观察窗口水平方向上的宽度等于或大于其在观察窗口垂直方向上的宽度。两个方向具有相同的焦距。

11.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，所述的反射型微透镜阵列是凹面微透镜阵列或菲涅耳透镜阵列，透镜表面镀有反射膜，如金属膜，多层介质干涉膜。

12.根据权利要求11所述的一种正向投影屏，所述的金属膜是铝膜或银膜。

13.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，还有一层支持和保护层，与所述的反射型微透镜及阻挡层与投影仪方向相反的一面贴合。

14.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，所述的吸收层表面镀有一层抗反射层。

15.根据权利要求1-13所述的一种正向投影屏，所述的吸收层上靠近投影仪一面还包含有一个棱镜光栅阵列。

16.根据权利要求15所述的一种正向投影屏，所述的棱镜光栅阵列表面还镀有一层抗反射层。

17.根据权利要求15所述的一种正向投影屏，所述的棱镜光栅阵列由两个楔角不同的一维棱镜光栅交错而成，并分别与第一个孔径阵列和第二个孔径阵列在观察窗口垂直方向上对应。

18.根据权利要求17所述的一种正向投影屏，所述的两个一维棱镜光栅的楔角差使得来自投影仪的光线透过该处的棱镜及吸收层第一个孔径阵列后被反射型微透镜阵列反射并聚焦，通过第二个孔径阵列及该处的棱镜，最后到达同一观察窗口。

19.根据权利要求17所述的一种正向投影屏，所述的棱镜光栅阵列由一个二维棱镜阵列组成。

20.根据权利要求19所述的一种正向投影屏，所述的二维棱镜阵列的每个棱镜单元的角度依据所处位置上投影光线入射角度及与观察窗口中心的角度而设计，使得来自投影仪的光线透过该处的棱镜及吸收层第一个孔径阵列后被反射型微透镜阵列反射并聚焦，通过第二个孔径阵列及该处的棱镜，最后到达同一观察窗口。

21.一种正向投影屏，其特征在于，包含有：

一个基底有第一面和第二面；

一个吸收层位于所述的基底的第一面，朝向投影仪方向，接受投影光线；所述的吸收层包含有一个透过型微透镜阵列和一个小孔阵列；

一个微平面反射镜阵列位于所说基底的第二面，背朝投影仪方向，反射来自吸收层透过型微透镜阵列投影光线至小孔阵列；

一个阻挡层位于所说基底的第二面，与微平面反射镜阵列在观察窗口垂直方向上交错，吸收入射到该区域的光线。

22.根据权利要求21所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的基底的厚度等于透过型微透镜阵列在基底材料中焦距的一半。吸收层上的小孔阵列与投影光线通过透过型微透镜阵列、微平面反射镜阵列后，聚焦在基底的第一面上形成的焦点阵列位置对应。

23.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的微平面反射镜阵列单元在观察窗口垂直和水平方向上的宽度等于或大于吸收层上透过型微透镜阵列单元在这两个方向上的宽度的一半。

24.根据权利要求23所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的透过型微透镜阵列在观察窗口垂直方向上的单元宽度等于或小于周期的三分之一。

25.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的阻挡层是一个一维条状吸收光栅，在观察窗口水平方向上连通。

26.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的透过型微透镜阵列是凸面微透镜阵列，或菲涅尔透镜阵列。

27.根据权利要求26所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的透过型微透镜阵列每个透镜单元为矩形，在观察窗口水平方向上的宽度等于或大于其在观察窗口垂直方向上的宽度。两个方向具有相同的焦距。

28.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，所述的小孔径阵列的每个孔径等于或大于投影光线通过透过型微透镜阵列及微平面反射镜阵列后在基底的第一面形成的每个焦点的大小。

29.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的微平面反射镜阵列每个平面镜光轴倾斜，倾斜程度依赖于入射投影光线的角度，以反射来自吸收层上透过型微透镜阵列的投影光线至吸收层上的小孔径阵列，使反射光线到达同一观察窗口(108)。

30.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，所述的微平面反射镜阵列单元是一个整体平面镜，或由多个相同角度的平面镜组成，平面反射镜表面镀有反射膜，如金属膜，多层介质干涉膜。

31.根据权利要求30所述的一种正向投影屏，所述的金属膜是铝膜或银膜。

32.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，还有一层支持和保护层，与所述的微平面反射镜阵列及阻挡层与投影仪方向相反的一面贴合。

33.根据权利要求22所述的一种正向投影屏，所述的吸收层表面镀有一层抗反射层。

34.根据权利要求21-32所述的一种正向投影屏，所述的吸收层上靠近投影仪一面还包含有一个棱镜光栅阵列，与小孔阵列对应并附着其上。

35.根据权利要求34所述的一种正向投影屏，所述的棱镜光栅阵列是一个一维条状棱镜光栅，在观察窗口水平方向上连通。

36.根据权利要求34所述的一种正向投影屏，所述的吸收层表面，还镀有一层抗反射层。

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