CN109388012B - 投影屏幕和投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影屏幕和投影系统，所述投影屏幕包括从所述投影光线的入射侧依次布置的光扩散层、全反射层和光吸收层，所述光吸收层能够吸收入射的光线，所述光扩散层用于增大出射的光线的发散角，所述全反射层至少包括位于所述光扩散层侧的微结构层和位于所述光吸收层侧的内侧层，所述微结构层的折射率大于所述内侧层的折射率，所述微结构层上设置有多个微结构单元，多个所述微结构单元在所述投影屏幕的平面内连续延伸并且旋转对称。通过巧妙地设置全反射层的微结构以及白色漫反射层和/或镜面反射层，能够使来自超短焦投影机的投影光线和来自长焦投影机的投影光线均能够被屏幕反射至观看者的视场范围内，使得一块屏幕能够兼用于超短焦投影机和长焦投影机。

Description

投影屏幕和投影系统

技术领域

本发明涉及投影屏幕和投影系统。具体地，本发明涉及一种能够抗环境光并且能够适用于长焦投影机和超短焦投影机的多焦段用投影屏幕和使用该投影屏幕的投影系统。

背景技术

近年来，随着投影机亮度的不断提高，投影显示系统在大尺寸家庭影院应用中的优势开始体现出来。相比于LCD电视和OLED电视，投影显示系统的尺寸小，便于安装，可以轻松实现大于100寸的显示画面，并且整套系统价格相对较低。

传统的投影机被称为长焦投影机，这种投影机在屏幕上投射出80寸的画面通常需要3米以上的距离，透射光线以较很小的入射角入射在屏幕上，因此也被成为直投投影机。由于室内空间有限，长焦投影机往往难以在室内透射出大的投影画面，于是短焦甚至超短焦投影机应运而生。目前市面上的超短焦投影机能够在1米以内的距离透射出80寸以上的画面。由于长焦投影机和超短焦投影机相对于屏幕摆放的距离和位置不同，所以需要具有不同的光学结构的屏幕，导致一块屏幕无法被长焦投影机和超短焦投影机共用，增加了用户的使用成本，降低了空间利用率。

此外，在家庭应用环境中，投影显示系统往往被安装在客厅中。客厅通常具有良好的自然采光条件以及明亮的照明光源，因而存在大量的环境杂光。一般的投影机屏幕既能反射投影机的光线也能反射环境光的光线。在这样的环境中，由于受到环境光的影响，经投影屏幕反射的光线形成的画面的对比度远远低于投影机自身的对比度。

发明内容

针对上述问题，本发明期望提供一种能够被长焦投影机和超短焦投影机共用的并且抗环境光的投影屏幕和投影系统。

根据本发明的实施例，公开了一种投影屏幕，其能够将投影光线反射至观看者的视场范围内，其中：

所述投影屏幕包括从所述投影光线的入射侧依次布置的光扩散层、全反射层和光吸收层，所述光吸收层能够吸收入射的光线，所述光扩散层用于增大出射的光线的发散角，

所述全反射层至少包括位于所述光扩散层侧的微结构层和位于所述光吸收层侧的内侧层，所述微结构层的折射率大于所述内侧层的折射率，所述微结构层上设置有多个微结构单元，多个所述微结构单元在所述投影屏幕的平面内连续延伸并且旋转对称，其中：每个微结构单元包括第一平面、第二平面和连接所述第一平面和所述第二平面的第三平面，所述第一平面和所述第二平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜方向不同，所述第三平面在所述光吸收层侧设置有反射层，并且

所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜角被设置为使得：以第一角度范围内的入射角入射的所述投影光线的至少一部分连续在所述第一平面和所述第二平面处发生全反射进入观看者的所述视场范围内，以第二角度范围内的入射角入射的所述投影光线的至少一部分在所述第三平面处被所述反射层反射至观看者的所述视场范围内。

本发明还公开一种投影系统，所述系统包括如上所述的投影屏幕以及投影机。

如上所述，根据本发明的投影屏幕和投影系统至少具有如下优点：

(1)通过巧妙地设置全反射层的微结构以及白色漫反射层和/或镜面反射层，能够使来自超短焦投影机的投影光线和来自长焦投影机的投影光线均能够被屏幕反射至观看者的视场范围内，使得一块屏幕能够兼用于超短焦投影机和长焦投影机。

(2)用于吸收环境杂光的光吸收层整体地设置在微结构的背面，投影光线不会被光吸收层吸收，提高了光学效率。

应当理解，本发明的有益效果不限于上述效果，而可以是本文中说明的任何有益效果。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的结构示意图。

图2是示出了根据本发明实施例的的投影屏幕的全反射层的旋转对称结构的示意图。

图3的a和b示出了不同的投影光线以及环境杂光照射至根据本发明实施例的投影屏幕时的光路情况的主截面结构示意图。

图4是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的主截面结构以及用于超短焦投影机时的光路的示意图。

图5是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的主截面结构以及用于长焦投影机时的光路的示意图。

图6是示出了环境杂光照射在根据本发明实施例的投影屏幕时的光路示意图。

图7是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的散射薄膜层的示意图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细说明根据本发明的各具体实施例。需要强调的是，附图中的所有尺寸仅是示意性的并且不一定是按照真实比例图示的，因而不具有限定性。例如，应当理解，图示出投影屏幕中的各层结构中各层的厚度、厚度比例以及角度并不是按照实际的尺寸和比例示出的，仅是为了图示方便。

一、全反射投影系统概述

图1是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的结构示意图。如图1中所示，投影屏幕10包括从投影光线的入射侧依次层叠布置的光扩散层13、全反射层12和光吸收层11。投影光线能够透过光扩散层13入射至全反射层12。在下文中，也将投影屏幕10的投影光线的入射侧称为屏幕的外侧(即，面向观众一侧)，将光吸收层侧称为屏幕的内侧(即，背向观众一侧)。全反射层12形成有由重复布置的大量微结构单元构成的微结构单元阵列。如图2所示，全反射层12的微结构单元在屏幕平面上具有旋转对称的阵列排布结构。该旋转对称的阵列排布结构的旋转中心(光学中心)轴线垂直于屏幕平面且位于屏幕的下方。优选地，投影机布置在该旋转中心轴线上。

光吸收层11能够吸收照射在其上的光束。例如，光吸收层11是黑色的光吸收层。光扩散层13用于扩散从全反射层12反射出的准直光束，以使投影屏幕10具有更大的可视角度。此外，在光扩散层13的外侧还可以添加设置保护层以防止刮伤或者化学腐蚀。当然，还可以根据设计需要设置其它的辅助功能层。

图1示出了根据本发明实施例的投影屏幕的全反射层12的微结构单元的截面结构示意图。所图1所示，全反射层12包括透明基材120、微结构层121和内侧层122。透明基材120位于全反射层12的最靠近光扩散层13侧并且与光扩散层13接触，其中所述透明基材120包括PET、PC或PMMA等透明材料。微结构层121设置在透明基材120的与光扩散层13接触的一侧的相对侧。其中，所述微结构层121采用树脂材料，所述树脂通常为环氧树脂胶系、丙烯酸酯胶系、聚酯胶系、聚氨酯胶系或聚酰亚胺胶系等。透明基材120和微结构层121通过UV涂布设备或者热成型设备形成一体。内侧层122形成在微结构层121的靠近光吸收层11侧，并且与光吸收层11相接触。形成内侧层122的材料的折射率低于形成微结构层121的材料的折射率。所述微结构层121与内侧层122相邻的表面设置有多个微结构单元。其中，图1示出了微结构层121中的4个微结构单元的主截面示图。图4至图6则详细示出了一个微结构单元的主截面图。由图，可知，在每一个微结构单元中，微结构层121包括3个相交的倾斜平面1241、1242和1243，其中所述倾斜平面1241、1242和1243与内侧层122接触。在每一个微结构单元的主截面示图中，这3个相交平面被图示为相对于与投影屏幕平行的平面(即，垂直平面，下文中简称为“屏幕平面”)具有不同倾斜角的3条依次连接的线段。其中平面1241和1242相对于屏幕平面的倾斜方向不同，且平面1243连接平面1241和1242并且位于平面1241与1242之间。换言之，在全反射层12的每一个微结构单元中，微结构层121是在透明基材120的表面上形成的一排旋转对称的截头棱镜，平面1241、1242和1243是微结构层121与内侧层122这两种不同的材料层之间的界面，其中微结构层121为第一材料层，所述内侧层122为第二材料层。例如，这样的棱镜是通过采用对涂布树脂和UV固化或热固化工艺加工而成的。此外，如图1和图5中所示，在微结构层121的平面1243靠近光吸收层11侧设置有反射层14。反射层14例如可以是采用镀覆或喷涂工艺设置在微结构层121的平面1243上的白色漫反射层(如图3的a所示)或镜面反射层(如图3的b所示)。漫反射层例如可以由掺杂了漫反射材料的白色树脂形成。镜面反射层例如可以是诸如银反射层的金属反射层。应当理解，反射层14的材料和形成方法不限于此，而是可以采用任何已知的适合材料和方法。如下文中将要详细说明地，由于超短焦投影机的投影光线入射至投影屏幕的入射角度范围(第一角度范围，例如30度至80度)和长焦投影机的投影光线入射至投影屏幕的入射角度范围(第二角度范围，例如0度至30度)相差较大，所以通过巧妙地设置平面1241和1242以及平面1243的倾斜方向和倾斜角度，能够使来自超短焦投影机的入射光线123在两个平面1241和1242处连续发生全反射，最终反射到观看者的视场范围内，并且使来自长焦投影机的入射光线123能够在入射至平面1243时被反射层14反射，进入观看者的视场范围内。因此，在微结构层121中的位于微结构层121与内侧层122之间的界面处，平面1241构成了第一全反射部，平面1242构成了第二全反射部，平面1243和反射层14一起构成了位于第一全反射部和第二全反射部之间的反射部。第一全反射部和第二全反射部使来自超短焦投影机的入射光线连续发生两次全反射而进入观看者的视场范围内，反射部用于反射来自长焦投影机的入射光线使其进入观看者的视场范围内。

此外，环境杂光127主要来自于房间中的顶灯。在绝大部分情况下，顶灯远离屏幕的微结构单元的旋转对称结构的旋转轴线。因此，环境杂光127的入射角小于来自超短焦投影机的投影光线的入射角度，但是又大于来自长焦投影机的投影光线的入射角度。因此，环境杂光127无法满足在平面1241和平面1242连续发生两次全反射的条件，也无法被反射层14反射至观看者的视场范围方向，而是透过微结构单元被光吸收层11吸收或被反射层14反射至地面方向。

如上所述，根据本发明实施例的投影屏幕10利用了全反射层12和反射层14的角度选择性反射特性，使得屏幕既能够将来自超短焦投影机的投影光线反射至观看者的视场范围内，又能够将来自长焦投影机的投影光线反射至观看者的视场范围内。同时，投影屏幕10还能够自动区分投影光线与环境光线，并且用于吸收环境杂光的光吸收层11整体地设置在全反射层12的内侧，从而实现了高对比度。

二、全反射微结构单元的光学原理及角度选择

下面，将参照图4至图6详细说明根据本发明实施例的投影屏幕10的全反射微结构单元的光学原理。其中，图4示出了当投影屏幕10用于超短焦投影机时的光路示例，图5示出了当投影屏幕10用于长焦投影机时的光路示例，图6示出了当环境杂光入射至投影屏幕10时的光路示例。需要说明的是，在图4和图6中省略了反射层14。

如图4所示，微结构层121的折射率为n₁和内侧层122的折射率为n₂，微结构单元的3个相交平面1241、1242、1243相对于屏幕平面(即，垂直方向)的倾斜角分别为θ₁、θ₂和θ₃(单位为度，下同)。入射光线和反射光线与垂直方向的夹角分别为α和β(单位为度，下同)。其中，当反射光线水平出射时，β显然为0度，并且设定：当反射光线在水平线以下(即，偏向地面)时β为负值，当反射光线在水平线以上(即，偏向天花板)时β为正值；当平面1243相对于垂直方向逆时针倾斜时θ₃为正值，当平面1243相对于垂直方向顺时针倾斜时θ₃为负值。

为了使来自超短焦投影机的入射光线123在倾斜平面1241和1242上发生两次全反射后向着观看者的眼睛方向出射，根据几何光学原理和光学全反射条件，必须要满足如下的公式(1)～(3)：

基于上述公式(1)～(3)并不能完全确定θ₁和θ₂的值，还留有一定的设计自由度。假设入射光线和出射光线之间的中间光线与屏幕平面(即，垂直方向)的夹角为γ，并且设定当中间光线偏向观众侧时γ为正值，当中间光线偏向观众侧时γ为负值。则根据几何光学原理和光学全反射条件可以计算出：

由公式(4)和(5)可知，只要确定了入射光线、出射光线和中间光线的光路(即，确定了α、β和γ)，就可以完全确定微结构的两个相交平面1241和1242的倾斜角度θ₁和θ₂。

此外，由公式(4)和(5)还可知，即便在确定了入射光线、出射光线的光路的情况下，还可以根据根据不同的应用需求，通过调整中间光线的光路(即，调整γ的取值)在一定范围内对θ₁和θ₂的取值进行选择。例如，在超短焦投影的应用中，投影机位于屏幕的下方，所以α>0总是成立；且观众的眼睛位于投影机的上方，为了保证出射光线入射至观众眼睛，所以α+β>0也总是成立；在此情况下，由公式(1)可以得到：

θ₁+θ₂＜90 (6)

由公式(6)可知，在超短焦投影的应用中，根据本发明的投影屏幕的微结构单元的两个倾斜平面1241和1242形成的夹角必须为钝角。

另外，由上述分析可知，来自超短焦投影机的入射光线123经过微结构单元的倾斜平面1241的全反射后的中间光线在微结构层121中沿着与屏幕平面平行的方向行进是优选的。此时，γ＝0度，β＝0度，当θ₂＝45度，出射光线沿着与屏幕垂直的出射即β＝0度，再依据上述公式(6)可知θ₁<45度，也即θ₁<θ₂。

由于微结构单元的一组倾斜平面1241和1242具有如上所述的光学结构，如图4中所示，来自超短焦投影机的大部分入射光线123在微结构单元的一组倾斜平面1241和1242处发生两次全反射，被反射至观看者的视场范围内。此外，来自超短焦投影机的小部分入射光线123也可能被反射层14反射至天花板方向或者在平面1242处透过全反射层12，被内侧的光吸收层11吸收。

图5图示了当投影屏幕10用于长焦投影机时的光路示例。当投影屏幕10被用于长焦投影机时，如图5所示，一部分入射光线123在微结构单元的反射部被漫反射层或镜面反射层14反射回观看者的视场范围内。由于长焦投影机的入射光线可以认为是以近似与垂直屏幕平面的角度入射的，所以为了将入射光线反射至观看者的视场范围内，平面1243相对于屏幕平面的倾斜角θ₃需要满足如下关系式：

-30＜θ₃＜30 (7)

也即是，可以根据长焦投影机相对于屏幕的上下位置在一定范围内调整平面1243的倾斜角。特别地，θ₃＝0是优选的。

此外，另一部分入射光线123照射在微结构单元的倾斜平面1241和1242上，这部分光线要么被反射至天花板或地面方向，要么透过全反射层12，被光吸收层11吸收。

在微结构单元中，除了相对于屏幕平面的倾斜角度之外，用于全反射来自超短焦投影机的投影光线的平面1241和1242(即，全反射部)与用于反射来自长焦投影机的投影光线的平面1243(即，反射部)的延伸长度的比例也对屏幕的光学性能有着较大的影响。通过实验可知，平面1243的延伸长度与平面1241、1242和1243的总延伸长度之比(即，在图4至图6的主截面图中，线段1243的长度与线段1241、线段1242和线段1243的总长度的比值)应当大于0.2且小于0.8。

与上述情况相对比，图6图示了当环境杂光入射至投影屏幕10时的光路示例。在投影系统的实际使用环境中，环境杂光一般主要来源于天花板或墙壁上方的灯具。因而，环境杂光在投影屏幕上的入射角度要远小于从位于屏幕下方近距离处的超短焦投影机发出的投影光线的入射角。因此，当环境杂光127从天花板一侧入射到投影屏幕上的时候，环境杂光无法满足在平面1241和1242发生两次全反射的条件，也基本上不会被反射部反射至观看者的视场范围内，所以要么透过全反射层12被光吸收层11完全吸收，要么被反射至地面。特别地，当反射层14为镜面反射层时，照射在反射层14的环境杂光几乎全部被反射向地面方向，而当反射层14为漫反射层时，照射在反射层14的环境杂光则可能会有一部分能够进入到观众的视场范围内。因此，就尽量减少进入观看者视场范围内的环境杂光而言，投影屏幕使用镜面反射层比使用漫反射层具有更好的抗环境光特性。

此外，如上所述，根据本发明的投影屏幕10具有旋转对称结构，且包含多个微结构单元。因此，每个微结构单元的角度设计可以是相同的或不同的。例如，为了使出射光线始终水平地射向观看者的方向，所以β＝0度且θ₂＝45度一直成立。根据模拟结果可知，微结构单元的θ₁随着靠近屏幕的上方而逐渐减小，且θ₁<θ₂，因而满足上述公式(6)。或者，也可以在满足上述公式(1)至(6)的前提下，沿着从屏幕的中心至屏幕边缘的方向，投影屏幕的微结构单元的θ₁的取值不断减小而θ₂的取值不断增大。

三、全反射微结构单元的折射率选择

除了θ₁至θ₃的取值之外，由光学全反射公式可知，满足两次全反射的全反射微结构单元还受到微结构层121的折射率n₁和内侧层122的折射率n₂的影响。根据本发明的投影屏幕的微结构层121通常是由透明树脂材料制成的，其折射率在1.3～1.7的范围内。或者，微结构层121也可以使用具有类似折射率的其它材料制成。另外，还可以在制成微结构层121的材料中掺杂散射离子或吸收材料等。因而，为了满足全反射的条件，需要考虑内侧层122的折射率n₂的选择。入射光线V可以表示成(V_x,V_y,V_z)，其中z轴垂直于屏幕，而X,Y轴平行于屏幕。显然，入射光线的全反射区域取决于V_x和V_y的取值范围。V_z满足：

假定出射光线朝向观看者的眼睛且微结构层121的折射率n₁为1.6，根据上述公式(2)和(3)可以获得满足全反射条件的入射光线的分量(V_x,V_y)的取值范围随内侧层122的折射率n₂的变化趋势。随着n₂的增大，满足在微结构单元的两个斜面均发生全反射的入射光线的区域不断减少。换言之，随着n₂的增大，从投影机发出的光线无法在微结构单元的两个斜面发生两次全反射的几率增大。因此，为了保证一定的屏幕反射效率，需要使n₁和n₂满足：

n₂<n₁-0.2 (9)

应当理解，在满足上述条件的情况下，内侧层122可以是空气层。在此情况下，微结构层121的顶端可以直接粘接至光吸收层11。

四、光扩散层的选择

如上所述，投影光线经过全反射层12反射后，出射光线的发散角一般都很小，为了增加投影画面的可视范围，可以在全反射层12的外侧设置光扩散层13。图7的a～c分别示出了3种可以用作光扩散层13的商业化光学散射薄膜结构：体散射薄膜，不规则表面散射薄膜和规则表面微透镜阵列薄膜。这几种散射薄膜材料都可以用来增加屏幕的可视范围，并且可以根据需要单独使用或层叠使用。例如，可以在全反射层的外侧依次层叠体散射薄膜和规则表面微透镜阵列薄膜。层叠的数量和种类不限于此。

在使用光学散射薄膜作为光扩散层的情况下，先分别制成全反射层和光扩散层，然后光学贴合。可替代地，也可以通过对同一基材(例如，PET)的两个表面进行不同的表面加工，分别形成光散射层和全反射层。

尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的发光设备，但是本发明不限于此，且本领域技术人员应理解，在不偏离本发明随附权利要求书限定的实质或范围的情况下，可以做出各种改变、组合、次组合以及变型。

Claims (15)

1.一种投影屏幕，其能够将投影光线反射至观看者的视场范围内，其特征在于，

所述投影屏幕包括从所述投影光线的入射侧依次布置的光扩散层、全反射层和光吸收层，所述光吸收层能够吸收入射的光线，所述光扩散层用于增大出射的光线的发散角，

所述全反射层至少包括位于所述光扩散层侧的微结构层和位于所述光吸收层侧的内侧层，所述微结构层为第一材料层，所述内侧层为第二材料层，所述微结构层的折射率大于所述内侧层的折射率，所述微结构层上设置有多个微结构单元，多个所述微结构单元在所述投影屏幕的平面内连续延伸并且旋转对称，

其中：每个微结构单元包括第一平面、第二平面和连接所述第一平面和所述第二平面的第三平面，所述第一平面和所述第二平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜方向不同，所述第三平面在所述光吸收层侧设置有反射层，并且

所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜角被设置为使得：以第一角度范围内的入射角入射的所述投影光线的至少一部分连续在所述第一平面和所述第二平面处发生全反射进入观看者的所述视场范围内，以第二角度范围内的入射角入射的所述投影光线的至少一部分在所述第三平面处被所述反射层反射至观看者的所述视场范围内。

2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述全反射层还包括透明基材层，所述微结构单元通过涂布树脂，并经过UV固化或热成型方式固化于所述透明基材层上。

3.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜角分别为θ₁、θ₂和θ₃，其中，

θ₁和θ₂满足关系：θ₁+θ₂＜90°，并且

θ₃满足关系：-30°＜θ₃＜30°。

4.根据权利要求3所述的投影屏幕，其特征在于，在多个所述微结构单元中，所述θ₂均等于45度。

5.根据权利要求3所述的投影屏幕，其特征在于，在多个所述微结构单元中，所述θ₁是不同的，所述θ₂是不同的，所述θ₃也是不同的。

6.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述反射层是漫反射层或镜面反射层。

7.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一材料层的折射率n₁和所述第二材料层的折射率n₂满足关系：n₂<n₁-0.2。

8.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面在沿着垂直方向与平行于所述投影屏幕的平面正交的主截面中分别具有第一长度L₁、第二长度L₂和第三长度L₃，所述L₁、所述L₂和所述L₃满足如下关系：

9.根据权利要求1至8中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述光扩散层是由体散射薄膜、不规则表面散射薄膜和规则表面微透镜阵列薄膜中的一者形成的；或者

所述光扩散层是通过层叠体散射薄膜、不规则表面散射薄膜和规则表面微透镜阵列薄膜中的至少一者而形成的。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述第二材料层是空气层。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面被设置为使得所述投影光线在两者之中的一者处发生第一次全反射之后，沿着与所述投影屏幕平行的方向行进。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，旋转对称的多个所述微结构单元的旋转中心轴线垂直于与所述投影屏幕平行的平面且位于所述投影屏幕的下方。

13.一种投影系统，所述系统包括如权利要求1至12中任一项所述的投影屏幕以及投影机。

14.如权利要求13所述的投影系统，其特征在于，所述投影机是位于所述投影屏幕下方的超短焦投影机，来自所述投影机的所述投影光线以所述第一角度范围内的入射角入射至所述投影屏幕。

15.如权利要求13所述的投影系统，其特征在于，所述投影机是长焦投影机，来自所述投影机的所述投影光线以所述第二角度范围内的入射角入射至所述投影屏幕。

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