CN104317153A - 用于投影机的屏幕及投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于投影机的屏幕及投影系统，所述屏幕包括依次层叠的导引层、分光层以及基层；所述导引层用于引导自外侧以第一方向范围入射的投射光线至所述导引层与分光层之间的界面，并使所述投射光线以大于在所述界面形成全反射的入射角入射至所述界面，然后反射回所述导引层的外侧；所述导引层还用于引导自外侧以第二方向范围入射的环境光线至所述导引层与分光层之间的界面，并使所述环境光线以小于或等于在所述界面形成全反射的入射角入射至所述界面，然后穿过所述界面进入分光层；所述分光层的折射率小于所述引导层的折射率。通过上述方式，本发明能够减少由环境光线所引起的眩光现象。

Description

用于投影机的屏幕及投影系统
技术领域
本发明涉及投影技术领域，特别是涉及一种用于投影机的屏幕及投影系统。
背景技术
投影机为一种将图像或视频投射到幕布上的设备，利用投影机可以将计算机、电视、DVD等所播放的视频信号投射到幕布上，从而可以观看到比计算机、电视屏幕更大的画面。随着投影技术的发展，近年来，超短焦投影机受到了越来越多用户的关注，成为了投影机市场的热点。超短焦投影机能在极短的投影距离上投射出大面幅的影像，相对于长焦投影机更加节省空间，并且安装方便。
在使用投影机投射图像或视频时，在屏幕上的投影效果不仅与投影机本身相关，屏幕也会影响投影效果。目前，市场上常见的投影屏幕一般是白塑幕，玻璃幕和金属幕等，然而该类投影屏幕在显示画面时，容易受环境光的影响而产生眩光现象，使用超短焦投影机时眩光现象更为严重，导致超短焦投影机因投影屏幕的限制而难以达到最佳的投影效果。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种用于投影机的屏幕及投影效果，能够有效抑制环境光线，从而可以减少因环境光线造成的眩光现象。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于投影机的屏幕，包括依次层叠的导引层、分光层以及基层；所述导引层用于引导自外侧以第一方向范围入射的投射光线至所述导引层与分光层之间的界面，并使所述投射光线以大于在所述界面形成全反射的入射角入射至所述界面，然后反射回所述导引层的外侧；所述导引层还用于引导自外侧以第二方向范围入射的环境光线至所述导引层与分光层之间的界面，并使所述环境光线以小于或等于在所述界面形成全反射的入射角入射至所述界面，然后穿过所述界面进入分光层；所述分光层的折射率小于所述引导层的折射率。
其中，所述导引层是微棱镜光栅，所述微棱镜光栅包括阵列设置的多个微棱镜，所述微棱镜的外表面作为屏幕的投影面用于投影图像。
其中，所述微棱镜的横截面形状为三角形，所述三角形的第一角端朝向屏幕上方，所述三角形的第二角端朝向屏幕下方，所述三角形的第三角端朝向屏幕前方，所述第一角端的第一角大于所述第二角端的第二角。
其中，所述第一角的角度在66°～84°之间，所述第二角的角度在40°～50°之间，所述第三角的角度在46°～74°之间。
其中，所述三角形的边为直线、弧线或直线与弧形的组合。
其中，所述屏幕还包括位于分光层与基层之间的吸收层，用于吸收从所述分光层射出的环境光线。
其中，所述引导层的折射率小于所述吸收层的折射率。
其中，相邻两个所述微棱镜的顶点之间的距离在0.2mm～0.3mm之间。
其中，所述微棱镜为条形状，并沿所述屏幕的水平方向直线延伸，所有所述微棱镜沿所述屏幕的竖直方向依次排列；或所述微棱镜为条形状，其延伸方向呈弧线型或曲线拟合弧线型，所述弧线型和所述曲线拟合弧线型中心位置的切线方向与屏幕的水平方向相同，所述微棱镜的两端向屏幕下方弯曲，所有所述微棱镜沿所述屏幕的竖直方向依次排列。
其中，所述微棱镜光栅的材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)。
其中，所述基层的材料为透明高分子复合材料。
其中，所述基层的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种投影系统，包括屏幕和投影机，屏幕为上述任一项所述的屏幕。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明用于投影机的屏幕，通过引导层将第一方向范围入射的投射光线至引导层和分光层之间的界面，并使投射光线以大于在该界面形成全发生的入射角入射至该界面，然后反射回引导层的外侧，由此可以使得在第一方向范围入射的投射光线全反射回引导层外侧，能够提高画面亮度。此外，通过引导层将第二方向范围入射的环境光线引导至引导层和分光层之间的界面，并使环境光线以小于或等于在该界面形成全反射的入射角入射至界面，从而使得环境光线在该界面发生折射而穿过界面进入分光层，由此使得环境光线从分光层折射出去而不会反射回引导层外侧，由此可以抑制环境光线，能够减少由于环境光线所造成的眩光现象。
附图说明
图1是本发明投影系统一实施方式的结构示意图；
图2是本发明投影系统一实施方式中，屏幕的侧视结构示意图；
图3是本发明投影系统又一实施方式中，微棱镜光栅中的微棱镜的横截面示意图；
图4是本发明投影系统又一实施方式中，微棱镜光栅中的微棱镜的横截面示意图；
图5是本发明投影系统又一实施方式中，屏幕的俯视结构示意图；
图6是本发明投影系统又一实施方式中，屏幕的俯视结构示意图；
图7是本发明投影系统又一实施方式中，屏幕的俯视结构示意图；
图8是本发明投影系统又一实施方式中，屏幕的侧视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
参阅图1，图1是本发明投影系统一实施方式的结构示意图。本实施方式中，投影系统包括屏幕10和投影机20。其中，投影机20为超短焦投影机，当然，其他实施方式中，也可以是短焦或长焦投影机。当投影机20在投影图像时，屏幕10可以是悬挂在墙上或通过固定机构悬挂于空中，投影机20放置在屏幕10的下方。在投影过程中，投影机20的投射光线自屏幕10的下方投射至屏幕10上以在屏幕10上显示画面。
使用传统的屏幕显示画面时，由于投影机的投射光线为从屏幕下方入射至屏幕，因此通常屏幕上方的环境光线例如灯光对画面的影响较为明显，易产生眩光现象。而产生眩光现象的主要原因是屏幕上方的灯光自屏幕上方入射屏幕时，传统的屏幕难以将灯光吸收，绝大部分灯光都反射出屏幕而进入观看者眼中，严重影响画面亮度的均匀分布，导致观看者产生眩光感。本实施方式的屏幕，可以有效地抑制环境光线，能够减少进入观看者眼中的环境光线，从而可减少眩光现象，提高显示效果。
其中，所述的屏幕上方和屏幕下方均是以图1的视图为准进行描述，在以别的视图基础上，也可以是别的表述方式。
具体地，参阅图2，图2为本发明投影系统的屏幕一实施方式的结构示意图，其中，图中所示的屏幕结构示意图为沿图1所示的AB方向的截面示意图。如图中所示，屏幕10包括依次层叠的引导层11、分光层12以及基层13。分光层12分别与基层13和引导层11相粘合，基层13为屏幕10的幕基，引导层11远离分光层12的一面作为屏幕10的投影面用于显示投影机20所投射的图像。
其中，基层13的材料为透明高分子复合材料，例如可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯乙烯(PS)或透明环氧树脂等。当然，基层13也可以是使用不透明材料制成。
引导层11和分光层12为折射率不同的两种介质，且分光层12的折射率小于引导层11的折射率。
其中，引导层11用于引导自外侧以第一方向范围13入射的投射光线至引导层11和分光层12之间的界面，并使投射光线以大于在该界面形成全反射的入射角入射至该界面，然后反射回引导层11的外侧。引导层11的外侧是指屏幕10的外侧，即以引导层11为界限，分光层12位于引导层11的内侧，投影机20位于引导层11的外侧。投射光线即投影机20所发出的与图像相关的投影信号。本实施方式中，以第一方向范围13入射的投射光线是指从屏幕10的下方入射至屏幕10的投射光线，也即来自位于屏幕10的下方的投影机20所发出的投射光线。
在引导层11的引导作用下，投射光线以大于在分光层12和引导层11之间的界面形成全反射的入射角入射至该界面，因此投射光线到达分光层12时在分光层12和引导层11之间的界面将发生全反射，发生全反射的投射光线反射回引导层11的外侧，从而进入观看者眼中，使得观看者能够看到屏幕10显示的画面。通过使投射光线以全反射的传输方式反射出屏幕10，能够提高投射光线的利用率，降低投射光线的损耗，有利于提高画面的显示效果。
需要说明的是，发生全反射的所述投射光线并非是指投影机20所发出的所有投射光线，由于光线本身的特性，在实际应用中往往不能够使得所有投射光线都能满足发生全反射的条件。申请人通过对自屏幕10下方入射至屏幕10的光线的传输路径进行研究并总结规律，通过设置引导层11和分光层12以在引导层11和分光层12的共同作用下，可以使得来自屏幕10下方的在特定方向范围内的入射光线在分光层12和引导层11之间的界面发生全反射而发生回引导层11外侧。因此在投影过程中，可以将投影机20放置在屏幕10下方的特定位置，以使得投影机20发出的大部分投射光线的入射方向在该特定方向范围内，从而能够使得大部分投射光线在分光层12和引导层11之间的界面发生全反射而发生回引导层11外侧。
其中，引导层11还用于引导自外侧以第二方向范围14入射的环境光线至引导层11和分光层12之间的界面，并使环境光线以小于或等于在该界面形成全反射的入射角入射至该界面，然后穿过界面进入分光层12。以第二方向范围14入射的环境光线是指从屏幕10上方入射至屏幕10上的环境光线。
通常，当投影机20设置在屏幕10下方以朝向上投影图像时，位于屏幕10上方的环境光线对投影画面的影响较大，容易造成眩光现象。本实施方式中，在引导层11的引导作用下，使从屏幕10上方入射至屏幕10的环境光线以小于或等于在引导层11和分光层12之间的界面形成全反射的入射角入射至该界面，从而使得环境光线在该界面不会形成全反射而导致环境光线全部反射回引导层11的外侧，而是使得环境光线在该界面将产生折射，由此使得发生折射的环境光线穿过该界面进入分光层12中，从而能够减少自引导层11射出的环境光线，即减少进入观看者眼中的环境光线，能够减少眩光现象。
同样地，需要说明的是，所述环境光线并非是指所有的环境光线。申请人通过对自屏幕10上方入射至屏幕10的光线的传输路径进行研究并总结规律，通过设置引导层11和分光层12以在引导层11和分光层12的共同作用下，可以使来自屏幕10上方的在特定方向范围内的入射光线在分光层12和引导层11之间的界面发生折射而进入分光层12。因此在投影过程中，能够使得屏幕10上方的大部分环境光线在入射至引导层10后而折射入分光层12，从而能够有效抑制环境光线。
本实施方式中，利用分光层12和引导层11的共同作用，使得自屏幕10上方射入屏幕10的环境光线在分光层和引导层11之间的界面发生折射而进入分光层中，同时使得自屏幕10下方射入屏幕10的投射光线在分光层和引导层11之间的界面形成全反射而反射回引导层11的外侧，由此实现将屏幕上方的环境光线和屏幕下方的投射光线进行分光，能够减少反射回引导层11外侧的环境光线，从而减少眩光效果。
在本发明投影系统的实施方式中，引导层11为微棱镜光栅，为了便于描述，在下文中将用以微棱镜光栅11代替引导层11进行描述。微棱镜光栅11的材料可以为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，当然，也可以是热塑性聚烯烃弹性体(TPO)等其他橡胶材料。
微棱镜光栅11包括阵列设置的多个微棱镜111。微棱镜111的外表面作为屏幕10的投影面用于投影图像。以第一方向范围13入射的投射光线自屏幕10下方射至微棱镜111的外表面，在微棱镜111的外表面发生第一次折射进入微棱镜光栅11中。不同入射角的投射光线射入微棱镜光栅11中后在微棱镜111中的传输路径并不相同，部分投射光线可能仅是在第一次折射后即以大于在分光层12和微棱镜光栅11之间的界面形成全反射的入射角入射至该界面，之后射回微棱镜光栅11的外侧；部分投射光线则可能在微棱镜光栅11中经过多次折射反射后然后以大于在分光层12和微棱镜光栅11之间的界面形成全反射的入射角入射至该界面，之后射回微棱镜光栅11的外侧，从而使得入射至屏幕10的大部分投射光线都能够反射回屏幕外侧，从而可以使得显示画面亮度效果更佳。
另外，以第二方向范围14入射的环境光线自屏幕10上方射至微棱镜111的外表面，在微棱镜111的外表面发生第一次折射进入微棱镜光栅111中。不同入射角的环境光线射入微棱镜光栅111后在微棱镜光栅111中的传输路径不相同，部分环境光线可能仅是在第一次折射后即以小于或等于在分光层12和微棱镜光栅11之间的界面形成全反射的入射角射至该界面，然后在该界面发生折射而进入分光层12；而部分环境光线则有可能在微棱镜光栅11中经过多次折射反射后然后以小于或等于在分光层12和微棱镜光栅11之间的界面形成全反射的入射角射至该界面，之后在该界面发生折射而进入分光层12。
其中，微棱镜的横截面形状为三角形。本实施方式中，三角形的边均为直线。三角形包括三个角端a1、a2、a3，第一角端a1朝向屏幕10上方，第二角端a2朝向屏幕10下方，第三角端a3朝向屏幕10前方(即朝向观看者)，即当屏幕10用于投影图像时，在单个微棱镜111中，第一角端a1相对于第二角端a2而言是位于屏幕10的上方位置，第二角端a2相对于第一角端a3而言是位于屏幕10的下方位置，第三角端a3则是朝向屏幕10的前方。可以理解为，以投影机所在位置为参考，第一角端a1和第二角端a2相比较而言，第一角端a1为远离投影机的角，第二角端a2为靠近投影机的角，即第一角端a1的角的开口与投影机相对设置。并且，第一角端a1的第一角θ1大于第二角端a2的第二角θ2。
进一步地，第一角θ1的角度范围为66°～84°，第二角θ1的角度范围为40°～50°，第三角端a3的第三角θ3的角度范围为46°～74°。实验结果表明，当第一角θ1为75°、第二角θ1为45°、第三角θ3为60°时，在微棱镜光栅11的引导作用下可以使得自屏幕10下方入射至屏幕10的大部分投射光线在微棱镜光栅11和分光层12之间的界面形成全反射并反射回微棱镜光栅11的外侧，同时也能够使得自屏幕10上方入射至屏幕10的大部分环境光线在微棱镜光栅11和分光层12之间的界面发生折射而进入分光层12中，从而能够有效抑制环境光线。
其中，相邻两个微棱镜111的顶点之间的距离d1的范围为0.2mm～0.3mm，如可以设置为0.285mm，或者也可以是0.250mm、0.276mm或0.269mm等，具体可以根据实际显示需要进行设定。当然，d1的范围也还可以是0.1mm～0.2mm或0.25mm～0.35mm等。
当然，在其他实施方式中，第一角θ1可以是70°、第二角θ1可以是45°、第三角θ3可以是65°；或者第一角θ1可以为80°、第二角θ1可以为47°、第三角θ3为53°。此外，第一角θ1的角度范围例如还可以是50°～60°，第二角θ1的角度范围还可以是35°～45°，第三角端a3的第三角θ3的角度范围还可以是55°～85°。
在上述实施方式中，微棱镜111的两条边为直线，即在微棱镜111的三角形横截面中，形成第三角θ3的两条边均为直线。在本发明投影系统的其他实施方式中，如图3和图4所示，在微棱镜111的三角形横截面中，三角形的边还可以是弧线。当然，还可以是直线与弧线的组合，如其中一条边为直线，另一条边为弧线。
此外，参阅图5，图5是本发明投影系统一实施方式中，屏幕的俯视结构示意图。本实施方式中，微棱镜111呈条形状，条形状的微棱镜111沿屏幕10的水平方向OE直线延伸，所有微棱镜111沿屏幕10的竖直方向OF依次排列。
在其他实施方式中，如图6和图7所示，微棱镜111呈条形状，其延伸方向可以呈弧线型或曲线拟合弧线型，其中，图6所示为延伸方向呈弧线型的微棱镜111，图7所示为延伸方向呈曲线拟合弧线型的微棱镜111。微棱镜111的两端向屏幕10的下方弯曲。弧线型或曲线拟合弧线型的微棱镜111其中心位置的切线方向61与屏幕10的水平方向OE相同，所有微棱镜111沿屏幕10的竖直方向OF依次排列。
通过使微棱镜111呈弧线型或曲线拟合弧线型延伸，有利于将投射光线以各个不同方向发散出去，从而有助于扩大可视角度。
参阅图8，在本发明投影系统的又一实施方式中，为了更好地抑制环境光线，尽可能地避免射入屏幕10的环境光线反射回微棱镜光栅11的外侧，本实施方式的屏幕10还包括吸收层15，其中，吸收层15的折射率大于引导层11的折射率。吸收层15位于分光层12和基层13之间，且分别与分光层12和基层13相粘合，用于吸收从分光层12射出的环境光线。分光层15可以为具有吸光作用的黑色涂层，当然也可以使用其他吸光效果较好的材料制成。
在本发明投影系统的其他实施方式中，投影机也可以是悬挂于空中而位于屏幕的上方，此时以第一方向范围入射的投射光线是指从屏幕的上方入射至屏幕的投射光线，也即来自位于屏幕上方的投影机所发出的投射光线，而以第二方向范围入射的环境光线是指从屏幕下方入射至屏幕上的环境光线。在本实施方式中，微棱镜的第一角端朝向屏幕下方，第二角端朝向屏幕上方，第三角端朝向屏幕前方，第一角端的第一角大于第二角端的第二角。此外，微棱镜光栅中的微棱镜其横截面形状也可以是其他的形状，例如可以是四边形或五边形等。
此外，在本发明投影系统的其他实施方式中，引导层不限于使用上述的微棱镜光栅实现，还可以使用其他的光学器件实现，例如液晶盒，利用液晶的光学特性可以控制液晶层的液晶分子具有不同的排列方向，从而可以根据需要改变以不同方向入射至液晶盒中的光线在液晶盒和分光层之间的界面的入射角，进而达到将投射光线和环境光线进行分光的目的。
本发明还提供用于投影机的屏幕一实施方式，其中，所述屏幕为上述任一实施方式中的屏幕。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效阵列或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种用于投影机的屏幕，其特征在于： 
包括依次层叠的导引层、分光层以及基层； 
所述导引层用于引导自外侧以第一方向范围入射的投射光线至所述导引层与分光层之间的界面，并使所述投射光线以大于在所述界面形成全反射的入射角入射至所述界面，然后反射回所述导引层的外侧； 
所述导引层还用于引导自外侧以第二方向范围入射的环境光线至所述导引层与分光层之间的界面，并使所述环境光线以小于或等于在所述界面形成全反射的入射角入射至所述界面，然后穿过所述界面进入分光层； 
所述分光层的折射率小于所述引导层的折射率。 
2.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于， 
所述导引层是微棱镜光栅，所述微棱镜光栅包括阵列设置的多个微棱镜，所述微棱镜的外表面作为屏幕的投影面用于投影图像。 
3.根据权利要求2所述的屏幕，其特征在于， 
所述微棱镜的横截面形状为三角形，所述三角形的第一角端朝向屏幕上方，所述三角形的第二角端朝向屏幕下方，所述三角形的第三角端朝向屏幕前方，所述第一角端的第一角大于所述第二角端的第二角。 
4.根据权利要求3所述的屏幕，其特征在于， 
所述第一角的角度在66°～84°之间，所述第二角的角度在40°～50°之间，所述第三角的角度在46°～74°之间。 
5.根据权利要求2所述的屏幕，其特征在于， 
所述三角形的边为直线、弧线或直线与弧形的组合。 
6.根据权利要求2至4任一项所述的屏幕，其特征在于， 
所述屏幕还包括位于分光层与基层之间的吸收层，用于吸收从所述分光层射出的环境光线。 
7.根据权利要求6所述的屏幕，其特征在于， 
所述引导层的折射率小于所述吸收层的折射率。 
8.根据权利要求2至4任一项所述的屏幕，其特征在于， 
相邻两个所述微棱镜的顶点之间的距离在0.2mm～0.3mm之间。 
9.根据权利要求2至4任一项所述的屏幕，其特征在于， 
所述微棱镜为条形状，并沿所述屏幕的水平方向直线延伸，所有所述微棱镜沿所述屏幕的竖直方向依次排列；或所述微棱镜为条形状，其延伸方向呈弧线型或曲线拟合弧线型，所述弧线型和所述曲线拟合弧线型中心位置的切线方向与屏幕的水平方向相同，所述微棱镜的两端向屏幕下方弯曲，所有所述微棱镜沿所述屏幕的竖直方向依次排列。 
10.根据权利要求2至4任一项所述的屏幕，其特征在于， 
所述微棱镜光栅的材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)。 
11.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于， 
所述基层的材料为透明高分子复合材料。 
12.根据权利要求11所述的屏幕，其特征在于， 
所述基层的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。 
13.一种投影系统，其特征在于，包括屏幕和投影机，所述屏幕为权利要求1-12任一项所述的屏幕。 
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