CN106647140A - 一种投影屏幕及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影屏幕，包括：沿投影镜头出光方向依次设置的菲涅尔透镜层、柱状透镜层，以及位于菲涅尔透镜层和柱状透镜层之间的微透镜层；微透镜层包括：多个呈阵列分布的第一微透镜；其中，第一微透镜为负透镜，第一微透镜的色散系数小于所述柱状透镜层的柱状透镜的色散系数；投影镜头的出射光线依次入射菲涅尔透镜层、微透镜层，并经过柱状透镜层后出射，能够使得三基色光束通过反向偏折的补偿，减小光束会聚时光束的偏折差异，使三基色光重合度提高，解决了投影屏幕在不同视角下观看图像画面的色偏现象。本发明还公开了一种应用上述投影屏幕的投影系统。

Description

一种投影屏幕及投影系统

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤指一种投影屏幕及投影系统。

背景技术

在背投显示领域，尤其是背投显示领域，通常采用具有菲涅尔微透镜结构的投影屏幕，如图1所示，沿投影镜头出光方向，依次经过菲涅尔透镜结构层11和柱状透镜结构层12，使用时将投影机的焦距和投影屏幕的焦距匹配，可在投影屏幕上显示画面。具体光路图如图2所示，菲涅尔透镜结构层11将入射至屏幕的光线进行会聚准直，柱状透镜结构层12中的凸透镜部分接收准直光线并进行会聚，理论上在凸透镜的焦平面上进行成像，并最终从柱状透镜结构层12以会聚后发散的状态进行传输。

但在实际应用中，根据对投影屏幕后白场的测试结果，技术人员发现，在屏幕中心点，即水平视角为0处的色偏为0，而随着水平视角的增大，产生的色偏也会随之增大，以及，随着垂直视角的增大，产生的色偏也会随之增大，即随着视角增加，产生不同程度的色偏，色偏的直接视觉表现就是白场不再是预设的色温值了，而偏与某种基色颜色显示，从而人眼在不同视角或不同位置观看显示画面时存在图像画面颜色不一致，尤其是对于大屏拼接显示中，对于白场使用较多的场景，例如大型会议室的PPT展示，不同视角或不同位置的色偏会大大降低用户的体验。

因此，如何有效减小投影屏幕在显示画面时产生的色偏成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种投影屏幕及投影装置，用以减小投影屏幕显示画面时在不同视角下的色偏现象。

第一方面，本发明提供了一种投影屏幕，包括：沿投影镜头出光方向依次设置的菲涅尔透镜层、柱状透镜层，还包括位于菲涅尔透镜层和柱状透镜层之间的微透镜层；

微透镜层包括：多个呈阵列分布的第一微透镜；

第一微透镜为负透镜，其中，第一微透镜的色散系数小于柱状透镜层的柱状透镜的色散系数；

投影镜头的出射光线依次入射菲涅尔透镜层、微透镜层，并经过柱状透镜层后出射；

优选地，第一微透镜为双凹透镜结构或平凹透镜结构；

优选地，第一微透镜与柱状透镜紧密贴合或者之间存在预设距离的间隙；

优选地，至少第一微透镜的出光面表面为非球面；

优选地，第一微透镜的材质为光学塑胶或光学玻璃；

优选地，第一微透镜的色散系数在10~40之间；

优选地，柱状透镜的色散系数在40~80之间；

优选地，微透镜层的厚度在100~300μm之间；

优选地，微透镜层的各第一微透镜一体成型或者各第一微透镜单元通过光学胶胶合连接。

第二方面，本发明实施例提供一种投影系统，包括激光投影设备，还包括上述任一技术方案中的投影屏幕。

本发明以上实施例至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的投影屏幕，通过在屏幕结构的菲涅尔透镜层和柱状透镜层之间设置呈阵列分布的第一微透镜组成的微透镜层，第一微透镜为负透镜，具有负光焦度，产生正色差，柱状透镜层为正透镜，具有正光焦度，产生负色差。从而通过不同材料的正、负透镜组合，正色差与负色差相互配合来校正色差，即达到消色差的目的，使三束光线能更好的汇聚。三束光在人眼观看时空间上是重合的，因而不会造成随视角的色偏。以及，通过设置第一微透镜的色散系数小于柱状透镜的色散系数，从而第一微透镜对光束进行较大偏折程度的发散，且各基色光发散的程度也不同，发散后的光束进入柱状透镜层后进行较小偏折程度的会聚，以对入射光束中不同波长的各基色光在第一微透镜中发生的偏折差异进行反向偏折的过程中进行补偿，且柱状透镜对各基色光进行反向偏折补偿的程度也不同，能够减小光束会聚时光束的偏折差异，使得最终三基色光实现再次会聚时光线偏折的角度接近，更容易达到会聚于一点，提高了三基色光的重合度， 从而减小白光W经过投影屏幕后的空间能量分布变化，从而使得白光在不同视角下的色偏降低，提升显示色彩的一致性。

以及本发明实施例方案还提供了一种投影系统，应用上述技术方案的投影屏幕，从而能够降低色偏现象，提升投影画面显示色彩的一致性，也提升了用户体验。

附图说明

图1为现有技术中投影屏幕的结构示意图；

图2为现有技术中投影屏幕的光路图；

图3为本发明实施例中投影屏幕的结构示意图；

图4A为图3实施例的光束经过屏幕的光路示意图；

图4B为本发明实施例中另一种光束经过屏幕的光路示意图；

图5为现有技术投影屏幕中测得的色偏变化图示；

图6为现有技术中三基色色偏变化图示；

图7为本发明实施例投影系统结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种投影屏幕及投影系统，用以减小投影屏幕在显示画面时产生的白光在不同视角下的色偏。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的投影屏幕及应用该投影屏幕的投影系统。

实施例一、

现有技术中投影屏幕采用柱透镜时会在屏幕的不同位置产生白场色偏，分别以LED光源以及激光光源为例的背投投影机进行测试，得到如图5所示的不同投影光源投影到投影屏幕时色偏随视角变化示意图。

研究人员发现，这是由于白光中的不同基色光（红光R、绿光G、蓝光B）的波长不同，在经过投影屏幕中的柱透镜时的折射率不同进而导致白光经过屏幕后的空间能量分布发生了变化。图为6白光W经过投影屏幕的菲涅尔透镜层和柱状透镜层后各基色光随视角的亮度变化示意图，其中，蓝光B波长最短，折射率最大，相对亮度变化相对较慢，经过屏幕后的空间能量分布更宽广，而波长最长的红光R因为折射率最小所以经过屏幕后的空间能量分布角度更小。因此，随着视角增加，蓝光B在白光中的比例逐渐增加，导致色温越来越高，白场发生了向高色温方向的色偏，在视觉表现上就是图像偏蓝。

基于上述技术问题，如图3所述，本发明实施例一提供了一种投影屏幕，沿投影镜头出光方向依次设置的菲涅尔透镜层31、柱状透镜层32，以及还包括位于菲涅尔透镜层31和柱状透镜层32之间的微透镜层33。微透镜层33包括：多个呈阵列分布的第一微透镜。第一微透镜为负透镜，其中，第一微透镜的色散系数小于柱状透镜层的柱状透镜的色散系数。

投影镜头的出射光线依次入射菲涅尔透镜层31、微透镜层33，并经过柱状透镜层32后出射。出射的光束进入人眼，从而用户可以观察到背投屏幕显示的图像。

在具体实施中，第一微透镜单元与柱状透镜单元并列依次设置，两透镜的尺寸相当。

具体地，第一微透镜的色散系数小于柱状透镜的色散系数，色散系数与镜片的制作材料有关，并影响光束的折射率，在本发明实施例中，第一微透镜的折射率大于柱状透镜的折射率。

具体地，第一微透镜的色散系数在10~40之间，以及柱状透镜的色散系数在40~80之间。上述数值仅为举例，也可以根据需要设置第一微透镜的色散系数在10~30之间，柱状透镜的色散系数在50~80之间。

以及，第一微透镜为负透镜，对入射光束具有发散作用，具体可以为双凹透镜结构或平凹透镜结构。

以及，第一微透镜的出光面表面为非球面，可以便于对光束的发散偏折的程度进行灵活设计，或者第一微透镜的入光面和出光面均为非球面，可以提高光路设计的可调性及灵活性。

第一微透镜的材质可以为光学塑胶或光学玻璃。

下面将结合图3、图4A和图4B详细说明本实施例投影屏幕的工作原理。

根据实施例一所描述的色偏现象及原因，从柱状透镜层会聚后出射的各基色光束呈不同程度的发散状态，色偏原因和现象可参见图2及图6。

如图3所示，菲涅尔透镜层31接收投影镜头出射的一定角度范围内的影像光束，将对该一定角度范围内的光束进行准直变成平行光出射，平行光入射至微透镜层33后进行发散，并经柱状透镜层32会聚，影像光束在柱状透镜层32内部就完成会聚，会聚后再发散出射。

由于在原投影屏幕结构上增加了负透镜微透镜层，相比于图2，使得影像光束从菲涅尔透镜层进行准直出射后的光路发生变化。具体光路示意图如图4A所示。

图4A中，与中心光轴呈平行状态的白光入射第一微透镜42，第一微透镜42为负透镜，具有负光焦度，产生正色差，柱状透镜41为正透镜，具有正光焦度，产生负色差。从而通过不同材料的正、负透镜组合，正色差与负色差相互配合来校正色差，即达到消色差的目的，使三束光线能更好的汇聚。三束光在人眼观看时空间上是重合的，因而不会造成随视角的色偏。

并且，第一微透镜42的色散系数小于柱状透镜41的色散系数，即对光束的折射率大于柱状透镜41对光束的折射率。第一微透镜42在对白光光束进行发散的过程中，R，G，B各基色光由于波长差异产生的发散偏折程度也不同。具体地，白光中的蓝光B波长最短，发散程度最大，其次是绿光G，最后是红光R，从而图4A中所示的蓝光B向上发散偏折最为严重。经过第一微透镜42后呈发散状态的各基色光再入射至柱状透镜41，柱状透镜为正透镜，对光束进行会聚，且折射率小于第一微透镜42，即对光束的会聚过程中的偏折程度相对小于第一微透镜42对光束的发散的偏折程度。柱状透镜41对入射光束中不同波长的各基色光在第一微透镜中发生的偏折差异进行反向偏折的过程中进行补偿，但各基色光会聚的程度不同，柱状透镜对各基色光进行反向偏折补偿的程度也不同。具体地，蓝光B发散的最厉害，向上偏折，当入射至柱状透镜41时，蓝光B会进行一定的程度的会聚，向下偏折，但是会聚的程度小于其被发散的程度，绿光G也会进行一定程度的会聚，但是由于绿光G在柱状透镜中的折射率小于蓝光B在柱状透镜中的折射率，因此会聚的程度也相对小于蓝光B的会聚程度，同理，红光R会聚的程度小于绿光G，和蓝光B的会聚程度，从而原来呈发散状态的三基色光经过柱状透镜41的会聚作用下，反向偏折的补偿即向下偏折的程度按照蓝、绿、红的顺序呈逐渐减小的趋势，从而通过上述正负透镜的组合以及折射率配置的方案，能够减小光束会聚时光束的偏折差异，使得最终三基色光实现再次会聚时光线偏折的角度接近，更容易达到会聚于一点，提高了三基色光的重合度，最终使从柱状透镜41出射的各基色光会聚后的光线出光方向基本一致，呈现基本重合状态，大大减小了不同波长的基色光的分开程度，减小白光W经过投影屏幕后的空间能量分布变化，从而使得白光在不同视角下的色偏降低，提升显示色彩的一致性。

上述示例中仅以一束白光为例进行原理性说明，由于投影机入射到投影屏幕的的光束有无数条，通过上述过程的光束处理，使得入射至投影屏幕的光束出射时发散程度降低或消除，从而在不同的视角下观察时，不会因为基色光光束不同偏折而进入人眼的光束范围有限造成色偏的现象。

在本发明实施例中，采用不同的材料，使柱状透镜的色散系数大于第一微透镜的色散系数，由于第一微透镜的色散系数较小，各基色光发生偏折的差异较大，且蓝光B的偏折程度最大，红光R偏折程度最小；在各基色光再入射至柱状透镜时，由于柱状透镜为具有较高的色散系数的凸透镜结构，使得在第一微透镜中发生最大程度偏折的蓝光B在经过柱状透镜时的折射率也最大，凸透镜结构的柱状透镜对其的会聚作用较其它基色光也最大，同理，对红光R的会聚作用最小，从而使得蓝光B在柱状透镜中的焦距变长，红光R在柱状透镜中的焦距变短，由此，使出射的各基色光的焦距接近，焦点靠近或重合，从而减小各基色光出射时的分开程度。

具体地，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，由前述对白光光路的示意图说明可知，由于第一微透镜的光线发散作用和高色散（色散系数较小）性能，使得白光W中各基色光（R、G、B）的分开程度较大，而柱状透镜具有光线会聚作用且具有较低色散（色散系数较大），使得本来分开的各基色光（R、G、B）的光线在会聚后基本重合在一起。因此，第一微透镜与柱状透镜在色散系数上的差异，使柱状透镜对经过第一微透镜的各基色光的偏折差异具有补偿作用。在具体实施时，可根据实际需要采用不同材料制作上述的柱状透镜和第一微透镜，以使柱状透镜的色散系数大于第一微透镜的色散系数，从而使柱状透镜为低色散凸透镜，第一微透镜为高色散凹透镜。此外，还可在上述的色散系数范围内调整柱状透镜和第一微透镜的色散系数，本发明实施例不对各微透镜的色散系数的具体取值进行限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，如图4A所示，柱状透镜与第一微透镜紧密贴合。在实际应用中，柱状透镜和第一微透镜可采用胶合的方式贴合在一起，其消偏原理如上所述，此处不再赘述。

此外，如图4B所示，微透镜组中的柱状透镜和第一微透镜之间可以存在预设距离的间隙，例如，柱状透镜层32与微透镜层33之间可相距1-5mm。此时，白光W入射到微透镜组时的光路图如图4B所示，具体地，白光W在入射到第一微透镜之后发生发散，由于白光W中的各基色光（R、G、B）在第一微透镜中的折射率不同导致各基色光的偏折程度发生差异，经过第一微透镜后的各基色光（R、G、B）穿过柱状透镜和第一微透镜之间的空气间隙后入射到柱状透镜中，空气间隙可视为折射率为1的透光介质，因此也可以在间隙中填充折射率相当于1的透光介质层。柱状透镜相对于第一微透镜具有较高的色散系数，使得各基色光在第一微透镜42中会聚，并发生较小程度的反向偏折，缩小各基色光的焦距长短差异，从而使出射的白光W中各基色光（R、G、B）基本重合。

柱状透镜层和微透镜层之间的距离根据投影屏幕的制作需求和成像标准可进行调整，通常情况下两者之间可相距3-5mm，在实际应用时，可灵活调整，在此不做限定。

由图4B可以看出，在柱状透镜和第一微透镜之间存在一定间隙时，微透镜组可对入射到微透镜组接近边缘处的光线进行偏折，因此，采用间隙设置第一微透镜和柱状透镜适用于两者组成的微透镜组具有较大孔径的情况，在实际应用时，可根据实际需要采用上述两种方式的任一种设置微透镜层，消除投影屏幕的白光色偏。

进一步地，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，第一微透镜的材料为光学塑胶或光学玻璃。在制作过程中，可通过模具将微透镜层中所有的各第一微透镜一体成型，而后将成型的各第一微透镜与柱状透镜层通过光学胶进行胶合，或者通过屏幕顶端通过固定结构将两层光学部件层进行相对位置固定；或者，还可分别制作每个第一微透镜，再将各第一微透镜进行光学胶胶合连接组成微透镜层。在实际应用时，为简化工艺复杂度可优选第一种方式进行微透镜层的制作。此外，采用其它制作方法及材料制作上述的微透镜层而达到本发明相应作用的情况，在此不做限定。

进一步地，在本发明实施例提供的上述投影屏幕中，菲涅尔透镜层的厚度可为50-200μm。在实际应用时，菲涅尔透镜层可为由聚烯烃等材料注压而成的薄片，在制作过程中可将其厚度控制在50-200μm之内，使其适应于投影屏幕的整体厚度。当然，还可根据实际需求调整菲涅尔透镜层的厚度，本发明实施例不对其具体厚度取值进行限定。

与此同时，为保证投影屏幕的整体厚度不至于过大，微透镜层的厚度可为100-300μm。

需要说明的是，本发明实施例提供的上述投影屏幕中，出光方向指投影光束入射进入投影屏幕进行出射的方向；菲涅尔透镜层、柱状透镜层以及微透镜层的光轴应保持平行，第一微透镜结构和柱状透镜结构单元优选地的并列设置。

实施例二、

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种投影系统，该投影系统包括上述技术方案的投影屏幕。

该投影系统可为背投投影机，或者为背投拼接显示系统。

投影系统的投影机可为激光投影机，在实际应用中，将投影机的焦距和投影屏幕的焦距匹配后即可进行图像显示。

具体地，可以如图7所示，该投影系统包括投影机70，以及投影屏幕71。该投影系统采用如实施例一中所示的投影屏幕技术方案。

由于采用了上述实施例一中的投影屏幕，本发明实施例投影系统进行图像显示时，由于在对现有背投屏幕进行了改进，在菲涅尔透镜层和柱状透镜层之间设置了呈阵列分布的第一微透镜组成的微透镜层，第一微透镜为负透镜，具有负光焦度，产生正色差，柱状透镜层为正透镜，具有正光焦度，产生负色差。从而通过不同材料的正、负透镜组合，正色差与负色差相互配合来校正色差，即达到消色差的目的，使三束光线能更好的汇聚。三束光在人眼观看时空间上是重合的，因而不会造成随视角的色偏。以及，通过设置第一微透镜的色散系数小于柱状透镜的色散系数，从而第一微透镜对光束进行较大偏折程度的发散，且各基色光发散的程度也不同，发散后的光束进入柱状透镜层后进行较小偏折程度的会聚，以对入射光束中不同波长的各基色光在第一微透镜中发生的偏折差异进行反向偏折的过程中进行补偿，且柱状透镜对各基色光进行反向偏折补偿的程度也不同，能够减小光束会聚时光束的偏折差异，使得最终三基色光实现再次会聚时光线偏折的角度接近，更容易达到会聚于一点，提高了三基色光的重合度， 从而减小白光W经过投影屏幕后的空间能量分布变化，从而使得白光在不同视角下的色偏降低，提升显示色彩的一致性。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种投影屏幕，包括：沿投影镜头出光方向依次设置的菲涅尔透镜层、柱状透镜层，其特征在于，还包括位于所述菲涅尔透镜层和柱状透镜层之间的微透镜层；

所述微透镜层包括：多个呈阵列分布的第一微透镜；

所述第一微透镜为负透镜，其中，所述第一微透镜的色散系数小于所述柱状透镜层的柱状透镜的色散系数；

所述投影镜头的出射光线依次入射所述菲涅尔透镜层、微透镜层，并经过所述柱状透镜层后出射。

2.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一微透镜为双凹透镜结构或平凹透镜结构。

3.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一微透镜与所述柱状透镜紧密贴合或者之间存在预设距离的间隙。

4.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，至少所述第一微透镜的出光面表面为非球面。

5.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一微透镜的材质为光学塑胶或光学玻璃。

6.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一微透镜的色散系数在10~40之间。

7.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述柱状透镜的色散系数在40~80之间。

8.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述微透镜层的厚度在100~300μm之间。

9.如权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述微透镜层的各第一微透镜一体成型或者各所述第一微透镜单元通过光学胶胶合连接。

10.一种投影系统，包括激光投影设备，其特征在于，还包括如权利要求1-9任一项所述的投影屏幕。