CN102033407A - 一种对比度增强正向投影屏 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有高增益，高对比度，可大大降低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。该投影屏采用一组反射型微透镜列阵、光衰减层和一个孔径列阵的结构，使通过屏幕反射的投影光线和环境光线有不同程度的衰减，并通过微透镜列阵将投影光线反射到观察窗口，压缩视角，从而获得高的对比度增益。

Description

一种对比度增强正向投影屏

技术领域

本发明涉及正向投影屏及其制造方法，尤其涉及可屏蔽大步风环境光的，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，有效降低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如图4所示，由下列结构组成：

1.一个基底(401)有第一面(402)和第二面(403)，由透明的光学材料组成；

2.一个光衰减层(404)，位于所述基底的第一面，接受投影光线，光衰减层的透过率为0到1之间(不含0和1)，衰减透过的光线；

3.一个反射型微透镜阵列(405)，位于所述基底的第二面，反射和聚焦光线；

4.一个孔径阵列(406)，位于所述光衰减层上；

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)透过光衰减层后被反射型微透镜阵列反射，在基底的第一面聚焦，孔径阵列的孔径位置与形成的焦点阵列位置对应，孔径阵列的每个孔径等于或大于每个焦点的大小。略大的孔径可以降低使用时对投影仪位置的精度要求。

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。

来自投影仪的光线(407)(设其光强为1)，透过光衰减层(404)后，光线被衰减(设衰减因子为η)，衰减后的光线在界面折射，形成光线(408)，入射到反射型微透镜阵列(405)后被反射并聚焦，聚焦光线(409)穿过孔径阵列(406)并在界面折射后，形成出射光线(410)去往观察窗口(108))。由于光衰减层的作用，出射光线(410)的强度为η(不计界面反射带来的损耗)。

投影仪附近的环境光线同样可以透过光衰减层进入到基底，并入射到反射型微透镜阵列被反射和聚焦，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孔径阵列的小孔位置，从而只能透过光衰减层而被再次衰减，其出射光强为η²。

可以看到，环境光与投影光的衰减因子不同，相差1/η倍，故可获得1/η倍的对比度增益(η在0和1之间)。另一方面，出射光(410)的发散角有限，在观察窗口可得到n倍的亮度增益，因此在观察窗口处得到的亮度增益为n·η，对比度增益为n/η。

反射型微透镜阵列是传统的凹面微透镜阵列或菲涅尔透镜阵列，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，一般用真空镀铝或化学镀银方法得到。

反射型微透镜阵列的单元可以是正方形，也可以是长方形。孔径阵列具有与反射型微透镜阵列相似的周期和形状，如图5所示衰减层和孔径阵列的一部分，(504)是观察窗口垂直方向，(505)是观察窗口水平方向，(501)是光衰减层，(502)是孔径阵列。图5a表示一个孔径阵列单元为正方形的情况(反射型微透镜阵列单元与之相似)，孔径阵列水平方向的周期(506)与垂直方向的周期(503)相等，因此在观察窗口垂直和水平方向具有相同的光焦度，在两个方向上得到的视角范围也相同。图5b表示一个孔径阵列单元为长方形的情况(反射型微透镜阵列与之相似)，一般使观察窗口水平方向上的周期(508)大于垂直方向上的周期(507)，使得观察窗口水平方向视角大于垂直方向的视角，以对应于图1所示的水平长，垂直窄的观察窗口特性。

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(605)和(606)为例，由于它们所处在基底第二面(603)的位置不同，投影光线(608)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(608)和(612)经过在基底第一面(602)上的光衰减层(604)，首先在界面折射并被衰减，进入到基底的光线(609)和(613)入射到微透镜(605)和(606)上并被反射，形成聚焦光线(610)和(614)，透过孔径阵列(607)，形成出射光线(611)和(615)去往同一观察窗口(616)。偏离投影仪方向的环境光线也会透过光衰减层，衰减后被反射型微透镜反射并聚焦，再次到达光衰减层(604)，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(607)不重合，故而被光衰减层再次衰减。

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。

由于基底第一面上的光衰减层和孔径阵列是平面结构，界面上的菲涅尔反射会产生强烈的眩光。可在此面上覆着一层抗眩光层，用于降低或消除眩光效应。抗眩光层可以是一个棱镜光栅，也可以是一个抗反射多层介质干涉薄膜，也可以是漫反射薄膜，或它们的组合。

图7是一个用棱镜光栅来消除眩光效应的示意图。来自投影仪的光线(708)、(716)入射到棱镜阵列(706)上，棱镜阵列平面法线(714)向下倾斜，只要倾斜角度足够，界面产生的菲涅尔反射光(712)、(719)将不能达到观察窗口(713)。

棱镜光栅周期可以与孔径列阵相同或不同，也可以是变周期和变契角的不规则光栅，以消除莫尔条纹。

其它方法如前所述的抗反射多层介质干涉薄膜和漫反射薄膜，在一定程度上也可降低眩光效应，它们的组合也可更有效地降低此效应以及环境光在界面的漫反射产生的影响，如在图7所述的棱镜光栅上再镀一层抗反射多层介质干涉薄膜，在消除眩光效应的同时，可有效降低环境光在界面的菲涅尔反射，大大降低其影响。

在反射型微透镜阵列一面还可加一层保护和支撑层，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，保护和支撑层的材料可以是塑料、橡胶、金属、玻璃等及它们的复合材料。

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4本发明提供的正向投影屏，由反射型微透镜阵列、光衰减层和孔径阵列组成

图5a本发明提供的正向投影屏，光衰减层和孔径阵列的部分图案，单元为正方形

图5b本发明提供的正向投影屏，光衰减层和孔径阵列的部分图案，单元为长方形

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，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，同时用棱镜光栅消除眩光

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5a和图6所示，包含有：

1.一个基底(601)有第一面(602)和第二面(603)，基底材料是有机玻璃；

2.一个光衰减层(604)位于所述基底的第一面，接受投影光线，光衰减层的透过率为0.2；

3.一个反射型微透镜阵列(605)、(606)位于所述基底的第二面，反射和聚焦光线；

4.一个孔径阵列(607)，位于所述光衰减层上。

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)透过光衰减层后被反射型微透镜阵列反射，在基底的第一面聚焦，孔径阵列的孔径位置与形成的焦点阵列位置对应，孔径阵列的每个孔径略大于每个焦点的大小。略大的孔径可以降低使用时对投影仪位置的精度要求。

反射型微透镜阵列是凹面微透镜阵列，透镜表面镀有金属铝膜，由真空镀膜方法得到。

反射型微透镜阵列单元是正方形。孔径阵列具有与反射型微透镜阵列相似的周期和形状，如图5a所示衰减层和孔径阵列的一部分(反射型微透镜阵列单元与之相似)，(504)是观察窗口垂直方向，(505)是观察窗口水平方向，(501)是光衰减层，(502)是孔径阵列。孔径阵列水平方向的周期(506)与垂直方向的周期(503)相等，因此在观察窗口垂直和水平方向具有相同的光焦度，在两个方向上得到的视角范围也相同。反射型微透镜阵列的设计使得两个方向的视角都为±20°，对应的亮度增益为13.4。

为补偿投影光线入射角度不同带来的影响，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(605)和(606)为例，由于它们所处在基底第二面(603)上的位置不同，投影光线(608)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(608)和(612)经过在基底第一面(602)上的光衰减层(604)，首先在界面折射并被衰减，进入到基底的光线(609)和(613)入射到微透镜(605)和(606)并被反射，形成聚焦光线(610)和(614)，透过孔径阵列(607)，形成出射光线(611)和(615)去往同一观察窗口(616)。投影光线的衰减率为0.2，考虑到有限视角带来的亮度增益13.4，在观察窗口得到的实际亮度增益为2.68。

偏离投影仪方向的环境光线也会透过光衰减层，衰减后被反射型微透镜反射并聚焦，再次到达光衰减层(604)，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(607)不重合，故而被光衰减层再次衰减。两次衰减后，环境光的衰减率为0.04。考虑到投影光线的衰减率和增益，可得到67倍的对比度增益。

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。

由于基底第一面上的光衰减层和孔径阵列是平面结构，界面上的菲涅尔反射会产生强烈的眩光，因此在此面上镀一层抗反射的多层介质干涉薄膜，以降低菲涅尔反射光及带来的眩光效应。

在反射型微透镜阵列一面附着一层保护和支撑层，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，保护和支撑层是橡胶和金属铝板的复合材料。

[实施例2]

本发明提供的正向投影屏的一个实例如图5b和图7所示，包含有：

1.一个基底(701)有第一面(702)和第二面(703)，基底材料是光学玻璃；

2.一个光衰减层(704)位于所述基底的第一面，接受投影光线，光衰减层的透过率为0.3；

3.一个反射型微透镜阵列(705)、(715)位于所述基底的第二面，反射和聚焦光线；

4.一个孔径阵列(707)，位于所述光衰减层上；

5.一个棱镜光栅(706)覆着在所述的光衰减层和孔径阵列上。

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)透过棱镜光栅和光衰减层后被反射型微透镜阵列反射，在基底的第一面聚焦，孔径阵列的孔径位置与形成的焦点阵列位置对应，孔径阵列的每个孔径略大于每个焦点的大小。略大的孔径可以降低使用时对投影仪位置的精度要求。

反射型微透镜阵列是凹面微透镜阵列，透镜表面镀有金属银膜，由化学镀银方法得到。

反射型微透镜阵列单元是长方形。孔径阵列具有与反射型微透镜阵列相似的周期和形状，如图5b所示衰减层和孔径阵列的一部分(反射型微透镜阵列单元与之相似)，(504)是观察窗口垂直方向，(505)观察窗口水平方向，(501)是光衰减层，(502)是孔径阵列。孔径阵列水平方向的周期(508)大于垂直方向的周期(507)，因此在观察窗口垂直和水平方向具有不同的光焦度，在两个方向上得到的视角范围也不同。反射型微透镜阵列的设计使得垂直方向的视角为±15°，水平方向的视角为±30°，对应的亮度增益为12.1。

为补偿投影光线入射角度不同带来的影响，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(705)和(715)为例，由于它们所处基底第二面(703)的位置不同，投影光线(708)和(716)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(708)和(716)入射到基底第一面(702)上的棱镜光栅(706)和光衰减层(704)，首先在棱镜光栅界面折射并被光衰减层衰减，进入到基底的光线(709)和(717)入射到微透镜(705)和(715)并被反射，形成聚焦光线(710)和(718)，透过孔径阵列(707)，形成出射光线(711)和(719)去往同一观察窗口(713)。投影光线的衰减率为0.3，考虑到有限视角带来的亮度增益12.1，在观察窗口得到的实际亮度增益为3.63。

偏离投影仪方向的环境光线也会透过光衰减层，衰减后被反射型微透镜反射并聚焦，再次到达光衰减层(704)，由于其方向偏离投影仪，焦点位置与小孔阵列(707)不重合，故而被光衰减层再次衰减。两次衰减后，环境光的衰减率为0.09。考虑到投影光线的衰减率和增益，可得到40.3倍的对比度增益。

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。

由于基底第一面上的光衰减层和孔径阵列是平面结构，界面上的菲涅尔反射会产生强烈的眩光，在此面上的棱镜光栅将界面的菲涅尔反射光(712)和(719)偏离观察窗口，从而有效地消除了眩光效应。

在反射型微透镜阵列一面附着一层保护和支撑层，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，保护和支撑层是塑脂和金属铝板的复合材料。

Claims (11)

1.一种正向投影屏，其特征在于，包含有：

一个基底包含有第一面和第二面；

一个光衰减层，位于所述基底的第一面，接受投影光线，光衰减层的透过率为0到1之间(不含0和1)，衰减透过的光线；

一个反射型微透镜阵列，位于所述基底的第二面，反射和聚焦光线；

一个孔径阵列，位于所述光衰减层上。

2.根据权利要求1所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的光衰减层和孔径阵列位于反射型微透镜阵列的焦平面上；孔径阵列与投影光线经反射型微透镜阵列反射和聚焦所形成的焦点位置匹配，用于无衰减透过聚焦后的投影光线。

3.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述孔径阵列单元的尺寸等于或大于投影光线通过反射型微透镜阵列聚焦后的焦点尺寸。

4.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的反射型微透镜阵列镀有高反射的金属银膜，或金属铝膜，或多层介质干涉膜。

5.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述反射型微透镜阵列每个单元的主光轴根据入射投影光线的角度不同而略有倾斜，反射形成的观察带(108)重合。

6.根据权利要求2所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述反射型微透镜阵列单元是正方形或长方形。

7.根据权利要求5所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述反射型微透镜阵列单元是正方形或长方形。

8.根据权利要求1至7所述的任一种正向投影屏，其特征在于，还可以有一层抗眩光层覆着在光衰减层和孔径阵列上，用于降低或消除表面菲涅尔反射所产生的眩光。

9.根据权利要求8所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的抗眩光层是一个棱镜光栅，也可以是一个抗反射多层介质干涉薄膜，也可以是漫反射薄膜，或它们的组合。

10.根据权利要求1至7所述的任一种正向投影屏，其特征在于，还可以有一层保护和支撑层覆着在反射型微透镜阵列后，以保护微透镜阵列结构，并作为衬底支持所述的投影屏。

11.根据权利要求8所述的任一种正向投影屏，其特征在于，还可以有一层保护和支撑层覆着在反射型微透镜阵列后，以保护微透镜阵列结构，并作为衬底支持所述的投影屏。

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