CN102243430A - 正向投影屏 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正向投影屏幕，使用了菲涅尔透镜和均匀非对称反射元件，最大效率地利用了反射光线，具有高增益，高对比度，对环境光不敏感特征，及高均匀性，无眩光，高色彩饱和度特征。本发明还提供了由菲涅尔透镜，均匀非对称反射元件及光掩模层组成的正向投影屏幕，极大地吸收了环境光线，从而获得高的图像对比度。

Description

正向投影屏

技术领域

本发明涉及正向投影屏，尤其涉及强环境光条件下实现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)所在的一条观察带(108)内(相对于屏幕角度而言，上下约30度，水平约100度---依应用环境而不同)，所述的观察带的水平宽度(109)大于垂直宽度(110)。

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6842282B2采用了玻璃微珠(201)与光栅(202)结合的结构，利用了微珠屏溯源反射的特征，并用光栅的涂黑侧壁(203)吸收了部分环境光，提高了投影图像的对比度。然而，微珠屏固有的局限性使得这种屏仍然不能解决投影仪和观众不在同一方向时亮度下降的问题。如果观察者(205)偏离溯源反射光线(204)的方向，其观察到的屏幕亮度大大降低。

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，并偏离水平观察带，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)反射后形成一观察带(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带(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带交叠处，由于屏幕上各点反射形成的观察带中间位置都有不同，交叠面积会远小于每个透镜所生成的观察带面积，限制了观察者的视场范围。

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，对环境光不敏感的正向投影屏幕，所述屏幕还具有高均匀性，无眩光，高色彩饱和度特征。

如图4所示，本发明提供的正向投影屏(401)，由菲涅尔透镜(402)和反射元件(403)组成。所说的菲涅尔透镜(402)有一个焦距，等于或接近投影仪(404)到所说的正向投影屏(401)的距离；菲涅尔透镜(402)和反射元件(403)的光路安排使得来自投影仪的投影光线经菲涅尔透镜(402)透射并准直，在反射元件(403)上反射和散射，再经菲涅尔透镜(402)透射后，散射中心偏离投影仪(404)方向。投影仪(404)所发出的投影光线(406)和(409)经菲涅尔透镜(402)准直后入射到反射元件(403)上，被反射和散射后再次透过菲涅尔透镜(402)，形成出射光线(407)(408)(410)(411)，到达观察窗口(405)。观察窗口(405)的中心偏离投影仪(404)。

投影光线入射到投影屏不同位置具有不同的角度，而菲涅尔透镜(402)的引入使得投影光线准直，以相同的角度入射到反射元件(403)上，从而降低了对反射元件(403)的要求，即不需要反射元件(403)是非均质的，可以使用光学反射特性一致的材料作为反射元件。

菲涅尔透镜(402)和反射元件(403)的光路安排有两种方式，如图4b和4c所示。图4b显示了一种光路安排，将投影仪的位置放置在菲涅尔透镜(402)的焦平面上或附近，但不在焦点上，投影光线(414)通过菲涅尔透镜(402)后，透射光线(412)将以一定角度入射到反射元件(403)上，与反射元件(403)的法线(416)形成一个夹角(418)，反射和散射的中心光线(415)再次透过菲涅尔透镜(402)后形成光线(417)，去往观察窗口的中心。反射和散射的中心光线(417)与入射投影光线(414)形成一个夹角(413)，从而使中心光线(424)偏离投影仪方向。

图4c显示了另一种光路安排，投影光线(420)通过菲涅尔透镜(402)后，以接近零角度入射到反射元件(403)上，即透过菲涅尔透镜(402)的光线(421)与反射元件(403)的法线(416)夹角约为零，反射和散射的中心光线(422)与光线(421)形成一个夹角(419)，再次透过菲涅尔透镜(402)后形成光线(424)，去往观察窗口的中心。反射和散射的中心光线(424)与入射投影光线(420)形成一个夹角(423)，从而使之偏离投影仪方向。

反射元件是微结构反射元件，微结构表面镀有高反射金属介质或高反射的多层介质薄膜。微结构可以是随机位相分布的表面浮雕，通过浮雕深度分布的设计到达在一定范围内具有均匀的反射分布；也可以是微透镜列阵，通过微透镜实现均匀的反射分布。

图5a是一个随机位相表面浮雕的反射元件(501)，表面具有随机的浮雕位相结构(502)，入射光线(503)被界面反射和散射后，在一定角度范围内形成均匀的反射光线(504)。随机的浮雕位相结构是通过计算并采用微细加工方法获得的，进一步可以引入非对称性，使一个方向上的发散角度大于另一个方向的发散角度，更好地适应观察窗口为矩形的特征。也可以设计成反射和散射中心不与法线重合，以适应光路4c安排，使得反射和散射的中心光线偏离投影仪。

图5b是一个微透镜型反射元件(505)，表面有许多微透镜单元(506)，入射光线(507)被微透镜反射后，在一定角度范围内形成均匀的反射光线(508)。微透镜单元可设计成非球面透镜，使一个方向上的光焦度大于另一个方向的光焦度，从而使两个方向上的发散角不同，更好地适应观察窗口为矩形的特征；同时为了使微透镜两个方向的焦距相同，微透镜单元的形状可设计为矩形。

在微透镜单元与尺寸较小的情况下(如0.5毫米以下)，微透镜单元之间会产生干涉现象，使得图像的亮度和色彩产生不均匀性，为了克服此问题，本发明还提供了一种正向投影屏幕，其反射元件由带有随机位相扰动的微透镜列阵组成，如图5c所示，反射元件(505)表面有许多微透镜单元，不是准确在一个平面上，它们的浮雕位相高度--如(509)，(510)，(511)略有差别，可取0.5微米到10微米之间，这些额外引入的浮雕位相扰乱了微透镜单元之间的固定位相关系，使得干涉现象大大减弱。

一般情况下，投影仪的位置不在屏幕的物理中心，为了适应投影仪的离轴特性，所说的菲涅尔透镜也可以是偏轴的，即透镜中心不在屏幕的物理中心。

进一步本发明还提供了一种正向投影屏幕，在所说的反射元件和菲涅尔透镜之间引入一个光掩膜层，以吸收和衰减环境光线。该光掩膜层有两种方式，第一种是带有孔径列阵的部分吸收层，孔径列阵与微透镜列阵的焦点对应，透过由微透镜列阵形成的反射聚焦光线；第二种具有透过区域和阻挡区域的交错结构，阻挡区域含有一个孔径列阵与微透镜列阵的焦点对应，透过微透镜列阵的反射聚焦光线。

图6说明了含有第一种光掩膜层的正向投影屏，在作为反射元件的透镜列阵(601)和菲涅尔透镜(602)之间有一个光掩膜层，它是一个部分吸收层(603)，由孔径列阵(605)和衰减区域(604)组成，孔径列阵(605)与透镜列阵(601)对投影光线所成的反射焦点列阵对应，光透过率在此孔径列阵上为1或尽可能接近1；部分吸收层(603)除孔径列阵(605)之外的其它衰减部分(604)的光透过率小于1，即有一定程度的衰减，设透过率为η，η＜1。投影光线(606)经菲涅尔透镜(602)准直，穿过衰减区域(604)，成为强度衰减的光线(607)，入射到微透镜列阵(601)被反射成为聚焦光线(608)，并无损耗透过孔径列阵(605)，经菲涅尔透镜(602)后去往偏离投影仪的观察窗口的扩散光线(609)，因此来自投影仪的光线被投影屏反射后，衰减率为η。而非投影光线会两次透过部分吸收层(603)的衰减部分(604)，衰减率为η²，故投影图像的对比度因衰减不同所得到的增益为1/η。

也可以进一步在微透镜列阵(601)的单元之间引入位相扰动，破坏微透镜单元之间的固定位相关系，消弱来自各微透镜单元反射光线之间的干涉，位相扰动可以通过轻微调节微透镜单元的浮雕高度，使各单元不准确在一个平面而得到。

微透镜列阵(601)的单元略有倾斜，使反射的中心光线偏离微透镜列阵(601)的法线。

图7说明了含有第二种光掩膜层的正向投影屏，反射元件(701)由微透镜列阵(707)和吸收层(708)交错而成，微透镜列阵(707)反射和聚焦光线，吸收层(708)完全吸收入射到其上的光线。在反射元件(701)和菲涅尔透镜(702)之间有一个光掩膜层(703)，该光掩膜层位于微透镜列阵(707)的反射焦平面上或附近，由阻挡区域(704)和透过区域(706)组成，在阻挡区域(704)中还有一个孔径列阵(705)，与透镜列阵(707)对投影光线所成的反射焦点列阵对应。阻挡区域(704)的光透过率接近或等于零；透过区域(706)和孔径列阵(705)的光透过率接近或等于1。投影光线(709)经菲涅尔透镜(702)准直，只有与光掩膜层(703)上的透过区域(706)对应的光线(710)才能透过光掩膜层(703)成为入射到微透镜列阵(707)的准直光线(711)，该光线被微透镜列阵(707)反射并聚焦成为光线(712)，并透过光掩膜层(703)的孔径列阵(705)，再经菲涅尔透镜(702)成为去往偏离投影仪的观察窗口的扩散光线(713)。而非投影光线或者被光掩膜层(703)上的阻挡区域(704)阻挡，或者被反射元件(701)上的吸收层(708)吸收，从而不能到达观察窗口。

也可以进一步在微透镜列阵(707)的单元之间引入位相扰动，破坏微透镜单元之间的固定位相关系，消弱来自各微透镜单元反射光线之间的干涉，位相扰动可以通过轻微调节微透镜单元的浮雕高度，使各单元不准确在一个平面而得到。

微透镜列阵(707)的单元略有倾斜，使中心光线偏离反射元件(701)的法线。

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---带有溯源反射玻璃微珠和吸收光栅的一种正向投影屏

图3a现有技术---用微透镜列阵作反射的一种正向投影屏

图3b现有技术---用微透镜列阵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本发明提供的一种正向投影屏及第一个实施例，含有一个菲涅尔透镜和一个反射元件

图4b本发明提供的正向投影屏的第一种光路安排

图4c本发明提供的正向投影屏的第二种光路安排

图5a本发明提供的一种正向投影屏，反射元件为随机位相表面浮雕结构

图5b本发明提供的一种正向投影屏，反射元件为微透镜列阵

图5c本发明提供的一种正向投影屏，反射元件为具有随机位相扰动的微透镜列阵

图6本发明提供的一种正向投影屏的第二个实施例，在菲涅尔透镜和反射元件之间有第一种光掩模层

图7本发明提供的一种正向投影屏的第三个实施例，在菲涅尔透镜和反射元件之间有第二种光掩模层

图8本发明提供的一种正向投影屏第三个实施例的光掩模层结构

具体实施方式

[实施例1]

本发明的一个实施例如图4所示，提供的正向投影屏(401)，由菲涅尔透镜(402)和反射元件(403)组成。所说的菲涅尔透镜(402)有一个焦距，等于或接近投影仪(404)到所说的正向投影屏(401)的距离；菲涅尔透镜(402)和反射元件(403)的光路安排使得来自投影仪的投影光线经菲涅尔透镜(402)透射并准直，在反射元件(403)反射和散射，再经菲涅尔透镜(402)透射后，散射中心偏离投影仪方向。投影仪(404)所发出的投影光线(406)和(409)经菲涅尔透镜(402)准直后入射到反射元件(403)上，被反射后并再次透过菲涅尔透镜(402)，形成出射光线(407)(408)(410)(411)，到达观察窗口(405)。观察窗口(405)的中心偏离投影仪(404)。

菲涅尔透镜(402)和反射元件(403)的光路采用如图4b所示的安排。投影仪位置在菲涅尔透镜(402)的焦平面上，但不在焦点上(如略微下移)，投影光线(414)经菲涅尔透镜(402)准直后，以一定角度入射到反射元件(403)上，与它的法线(416)形成一个夹角(418)，反射的中心光线(415)再次透过菲涅尔透镜(402)后形成光线(417)，去往观察窗口的中心。反射和散射的中心光线(417)与入射投影光线(414)形成一个夹角(413)，使得中心光线偏离投影仪。

反射元件具有随机位相表面浮雕微结构，微结构表面镀有高反射金属介质或高反射的多层介质薄膜。图5a是一个随机位相表面浮雕反射元件(501)的示意图，表面具有随机的浮雕位相结构(502)，入射光线(503)被界面反射后，在一定角度范围内形成均匀的反射光线(504)。微结构是随机位相分布的表面浮雕，通过位相分布的设计到达在一定范围内具有均匀的反射角分布，并引入非对称性，使一个方向(如观察窗口水平方向)上的发散角度大于另一个方向的发散角度，更好地适应观察窗口为矩形的特征。

[实施例2]

本发明的另一个实施例如图6所示，所说的反射元件是一个微透镜列阵(601)，它和菲涅尔透镜(602)之间引入一个光掩膜层(603)，以吸收和衰减环境光线。光掩膜层(603)还含有一个孔径列阵(605)，与微透镜列阵(601)对投影光线所成的反射焦点列阵对应，光透过率在此孔径列阵上为1或尽可能接近1；光掩膜层(603)除孔径列阵(605)之外的其它衰减区域(604)的光透过率小于1，即有一定程度的衰减，设透过率为η，η＜1。投影光线(606)经菲涅尔透镜(602)准直，穿过光掩膜层(603)的衰减区域(604)，成为强度衰减的光线(607)，入射到微透镜列阵(601)，微透镜列阵(601)的每个单元略有倾斜，反射的中心光线偏离微透镜列阵(601)的法线，使反射聚焦光线(608)透过孔径列阵(605)，再经菲涅尔透镜(602)后，形成去往偏离投影仪的观察窗口的扩散光线(609)。来自投影仪的光线被投影屏反射后，衰减率为η。而非投影光线会两次透过光掩膜层(603)的衰减区域(604)，衰减率为η²，故投影图像的对比度因衰减不同所得到的增益为1/η。光掩膜层(603)在微透镜列阵(601)的焦平面上或附近，孔径列阵(605)每个孔径的开口大小略大于微透镜的聚焦光斑大小，以对应投影仪位置的偏差。

微透镜列阵(601)是一个凹面微透镜列阵，表面镀有高反射金属介质或高反射的多层介质薄膜。

图5c是微透镜列阵型反射元件的示意图，由许多有许多微透镜单元(506)组成，入射光线被微透镜反射后，在一定角度范围内形成均匀的反射光线。微透镜单元可设计成非球面透镜，使一个方向(如观察窗口水平方向)上的光焦度大于另一个方向的光焦度，从而使两个方向上的发散角不同，更好地适应观察窗口为矩形的特征。为使两个方向的焦距相同，而光焦度不同，可取微透镜单元为矩形，矩形的长边对应于光焦度大的方向，即该方向上发散角大，通常取观察窗口的水平方向。

为消除微透镜单元反射光线之间的干涉现象，在微透镜单元之间引入位相扰动，如图5c中反射元件(505)的微透镜单元不是准确在一个平面上，其位相高度一如(509)，(510)，(511)略有差别，取0.5微米到10微米之间，这些额外引入的位相扰乱了微透镜单元之间的固定位相关系，使得干涉现象大大减弱。

[实施例3]

本发明的另一个实施例如图7所示，该正向投影屏由反射元件(701)，光掩膜层(703)和菲涅尔透镜(702)组成。反射元件(701)由微透镜列阵(707)和吸收层(708)交错而成，微透镜列阵(707)反射和聚焦光线，吸收层(708)完全吸收入射到其上的光线。在反射元件(701)和菲涅尔透镜(702)之间有一个光掩膜层(703)，该光掩膜层位于微透镜列阵(707)的反射焦平面上或附近，由阻挡区域(704)和透过区域(706)组成，在阻挡区域(704)中还有一个孔径列阵(705)，与透镜列阵(707)对投影光线所成的反射焦点列阵对应。阻挡区域(704)的光透过率接近或等于零；透过区域(706)和孔径列阵(705)的光透过率接近或等于1。投影光线(709)经菲涅尔透镜(702)准直，只有与光掩膜层(703)上的透过区域(706)对应的光线(710)才能透过光掩膜层(703)成为入射到微透镜列阵(707)的准直光线(711)，该光线被微透镜列阵(707)反射并聚焦成为光线(712)，并透过光掩膜层(703)的孔径列阵(705)，再经菲涅尔透镜(702)成为去往偏离投影仪的观察窗口的扩散光线(713)。而非投影光线或者被光掩膜层(703)上的阻挡区域(704)阻挡，或者被反射元件(701)上的吸收层(708)吸收，从而不能到达观察窗口。

微透镜列阵(707)是一个凹面微透镜列阵，表面镀有高反射金属介质或高反射的多层介质薄膜。微透镜单元可设计成非球面透镜，使一个方向(如观察窗口水平方向)上的光焦度大于另一个方向的光焦度，从而使两个方向上的发散角不同，更好地适应观察窗口为矩形的特征；同时，为使微透镜列阵(707)在两个方向上有相同的焦距，微透镜列阵(707)的单元取为矩形。微透镜列阵(707)的每个单元略有倾斜，反射的中心光线偏离反射元件(701)的法线，使反射聚焦光线(712)能透过孔径列阵(705)，并使得透过菲涅尔透镜(702)的光线(713)的中心偏离投影仪。

为消除微透镜单元反射光线之间的干涉现象，在微透镜单元之间引入位相扰动，使微透镜单元之间的高度略有差别，取0.5微米到10微米之间，这些额外引入的位相扰乱了微透镜单元之间的固定位相关系，使得干涉现象大大减弱。

如图8所示光掩膜层的一部分，由阻挡区域(802)和透过区域(801)组成，在阻挡区域(802)中还有一个孔径列阵(803)。(804)是观察窗口垂直方向，(805)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，光掩膜层的透过区域(801)的每个开口在观察窗口垂直方向(804)上的宽度(807)应小于或等于所述光掩膜层在此方向上透过区域(801)和阻挡区域(802)的周期(806)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。光掩膜层的透过区域(801)取为一维条状孔径光栅，在观察窗口水平方向(805)上连通。

孔径列阵(803)每个孔径的开口大小略大于微透镜的聚焦光斑大小，以对应投影仪位置的偏差。

Claims (15)

1.一种正向投影屏，其特征在于包含：

a.一个菲涅尔透镜在投影光线一侧，接受来自投影仪的投影光线；

b.一个反射元件在所说的菲涅尔透镜后，反射并散射光线。

2.权利要求1所说的一种正向投影屏，所说的菲涅尔透镜有一个焦距，等于或接近投影仪到所说的正向投影屏的距离，菲涅尔透镜和反射元件的光路安排使得来自投影仪的投影光线经菲涅尔透镜透射并准直，在反射元件反射和散射，再经菲涅尔透镜透射后，散射中心偏离投影仪方向。

3.权利要求2所说的一种正向投影屏，所说的光路安排是将投影仪位置在焦平面上偏离所说的菲涅尔透镜的焦点，光线经菲涅尔透镜准直后以一定角度入射到所说的反射元件。

4.权利要求2所说的一种正向投影屏，所说的光路安排是将所说的反射元件的散射中心偏离反射元件的法线。

5.权利要求2所说的一种正向投影屏，所说的反射元件是一种微结构反射元件，其散射光的强度在散射角度范围内是均匀的。

6.权利要求5所说的一种正向投影屏，所说的微结构反射元件是具有随机位相表面浮雕的反射元件，表面镀有高反射金属膜或高反射多层介质膜。

7.权利要求6所说的一种正向投影屏，所说的微结构反射元件在两个方向的散射角度不等。

8.权利要求5所说的一种正向投影屏，所说的微结构反射元件是微透镜列阵。

9.权利要求8所说的一种正向投影屏，所说的微透镜列阵在一个方向上的光焦度大于另一个方向的光焦度。

10.权利要求8所说的一种正向投影屏，所说的微透镜列阵的单元不是准确在一个水平面上，从而在深度方向上对光线产生相位差别。

11.权利要求2所说的一种正向投影屏，所说的菲涅尔透镜是离轴的。

12.权利要求8-11所说的任何一种正向投影屏，还包含有一个光掩膜层，位于所说的菲涅尔透镜和反射元件之间，并位于所说的微透镜列阵的焦平面上。

13.权利要求12所说的一种正向投影屏，所说的光掩膜层是一个部分吸收层，由衰减区域和一个孔径列阵组成，孔径列阵与微透镜列阵的焦点对应，透过由微透镜列阵形成的反射聚焦光线。

14.权利要求12所说的一种正向投影屏，所说的反射元件由微透镜列阵和吸收层组成，两者交错排列；所说的光掩膜层含有透过区域和阻挡区域，两者交错排列，所说的阻挡区域还含有一个孔径列阵与微透镜列阵的焦点对应，透过微透镜列阵的反射聚焦光线。

15.根据权利要求14所述的一种正向投影屏，其特征在于，所述的透过区域和阻挡区域中，透过部分占周期的三分之一。

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