CN111273512A

CN111273512A - 投影屏幕和投影系统

Info

Publication number: CN111273512A
Application number: CN201811472014.8A
Authority: CN
Inventors: 王霖; 孙微; 张红秀; 胡飞; 李屹
Original assignee: Appotronics Corp Ltd
Current assignee: Shenzhen Appotronics Corp Ltd
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-12
Also published as: US20220121097A1; WO2020114224A1

Abstract

本发明公开了一种投影屏幕和包含所述投影屏幕和投影机的投影系统。所述投影屏幕包括从投影光线的入射侧依次布置的微透镜阵列层、滤光层和光学结构层，所述微透镜阵列层包括多个微透镜单元，所述滤光层具有预定的透光率并且设置有透光孔，所述光学结构层具有能够反射入射光的光学微结构单元，并且所述滤光层中的所述透光孔的位置是基于所述微透镜阵列层中的所述微透镜单元的光轴位置布置的，以使所述透光孔正好位于所述微透镜单元的焦平面上并且所述投影光线经过所述微透镜单元的折射后正好穿过所述透光孔。根据本发明，确保了屏幕具有较高屏幕增益，提高屏幕的抗环境光对比度，并降低了制造屏幕的工艺难度。

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，本发明涉及既能够有效提高屏幕抗环境光能力又具有高增益的投影屏幕和使用该投影屏幕的投影系统。

背景技术

当前，投影显示系统越来越受到人们的关注。尤其是在大尺寸家庭影院应用场景中，投影显示系统的优势越来越被大众认可。

屏幕是影响投影显示系统的一个重要因素，其对投影显示的图像质量影响很大，而屏幕的对比度是评价一块屏幕好坏的重要参数。通常，因为一般的投影屏幕既能反射投影机的光线也能反射环境光的光线，所以屏幕反射的画面的对比度因受到环境光的影响而远低于投影机自身的对比度。

为了提高在有环境光的情况下的屏幕对比度，已经提出了不少的解决方案。例如，在专利文献1(CN1670618A)中公开了一种抗环境光的投影屏幕。这种投影屏幕采用线栅屏幕，其微结构单元由上下两个斜面组成。上方的斜面表面涂有黑色的吸光材料，用来吸收屏幕上方入射的环境光线，下方的斜面表面为由白色反射树脂形成的基地材料，用于反射投影机的光线。但是，由于用于反射的白色漫反射层对于入射光线的角度没有选择性，所以入射到白色反射面的环境光一样可以被反射到观众的视场，而且屏幕的增益一般低于0.5。另外，线栅结构只能准直投影机截面中央区域的入射光线，准直效果从屏幕中间到屏幕两边的逐渐变差。另外，在专利文献2(CN105408777A)提出了一种具有圆形对称的菲涅尔微结构的屏幕。这种屏幕利用投影光线与环境光入射角度不同来提高对比度。其中，环境光被反射层的上反射面反射至地面方向，因而这部分环境光不会影响屏幕的对比度。但是，在专利文献2的方案中，仍有一部分环境光会被发射层的下反射面反射至观众的视场内。因此，专利文献2中的的结构改善对比度的效果有限。此外，当前还存在利用全反射原理的屏幕结构。全反射屏幕结构利用投影光线和环境光线入射角度不同的特性，使大角度入射的投影光线满足全反射条件而被反射，小角度入射的环境光线透过结构层而被吸收。然而，由于全反射条件相对比较苛刻，这样的结构可能会导致一部分投影光线因为不满足全反射条件而被浪费。因此，这种结构的屏幕光线利用率不高。此外，由于全反射结构的两个反射面面积较大，来自屏幕上方的与投影光线对称的环境光线会被反射向观众的视场，因此抗环境光的能力有局限性。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种结构简单、成本低，具有高增益、高对比度的投影屏幕和投影系统。

本发明的实施例公开了一种投影屏幕，包括从投影光线的入射侧依次布置的微透镜阵列层、滤光层和光学结构层，所述微透镜阵列层包括多个微透镜单元，所述滤光层具有预定的透光率并且设置有透光孔，所述光学结构层具有能够反射入射光的光学微结构单元，所述透光孔正好位于所述微透镜单元的焦平面上并且所述投影光线经过所述微透镜单元的折射后正好穿过所述透光孔。

优选地，在所述投影屏幕的屏幕平面上，所述微透镜阵列层的所述微透镜单元、所述滤光层的所述透光孔和所述光学结构层的所述光学微结构单元均排布成圆环形状。

优选地，所述光学结构层的所述光学微结构单元是涂覆有反射层的菲涅尔微透镜单元，并且所述光学结构层包括基材层和菲涅尔微结构层。所述反射层的涂覆厚度例如不超过所述光学微结构单元的节距的1/5。或者，优选地，所述光学结构层的所述光学微结构单元是全反射微结构单元，并且所述光学结构层包括透镜基材层、全反射微结构层和黑色吸光层。

优选地，在整个所述投影屏幕中，所述微透镜阵列层中的所述微透镜单元的曲率半径和/或相邻的所述微透镜单元的顶点之间的距离根据所述投影光线经过所述微透镜单元的折射后的折射角度的变化而变化。

优选地，所述滤光层的透光率的范围是25％～65％。

优选地，所述光学结构层的反射率的范围是42％～100％。

优选地，所述微透镜单元是球状微透镜单元，所述透光孔是圆形孔；或者，优选地，所述微透镜单元是柱状微透镜单元，所述透光孔是长条状的槽形开口；或者，优选地，所述微透镜单元是椭球状微透镜单元，所述透光孔是椭圆形孔。

优选地，所述投影屏幕还包括扩散层，所述扩散层位于所述微透镜阵列层的外侧。

本发明的另一实施例公开了一种投影系统，包括如上所述的投影屏幕和投影机。优选地，所述投影机是短焦投影机或超短焦投影机。

如上所述，根据本发明的投影屏幕和投影系统通过采用微透镜阵列与带有透光孔的滤光层相配合的结构，确保了屏幕具有较高屏幕增益，并提高屏幕的抗环境光对比度。另外，本发明中的透光孔设置在滤光层表面并且不需要设置额外的出光孔，降低了制造屏幕的工艺难度。

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的投影屏幕的层叠结构的示意图；

图2是示出了根据本发明的投影屏幕的光学结构层的平面结构的示意图；

图3是示出了根据本发明的投影屏幕的光路原理的示意图；

图4是示出了根据本发明的投影屏幕的屏幕增益和反射率的关系的图表；

图5示出了根据本发明实施例的投影屏幕的光路原理的示意图；

图6是示出了根据本发明第一实施例的投影屏幕的结构示意图；

图7示出了根据本发明第二实施例的投影屏幕的微透镜阵列层的结构的示意图；

图8示出了根据本发明第二实施例的投影屏幕的滤光层的透光孔的形状和排布的示意图。

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。

1.本发明概述

图1中图示了根据本发明的投影屏幕的示意性侧视图。如图1中所示，根据本发明的投影屏幕100具有多层层叠结构，其中，由屏幕内侧(即，背对入射光线的一侧)至屏幕外侧(即，面向入射光线的一侧)依次为光学结构层10、滤光层20、微透镜阵列层30以及扩散层40。光学结构层10中具有能够反射入射光的光学微结构单元。如图2所示，光学结构层10中的光学微结构单元具有圆环状的排布形状。光学微结构单元例如是涂覆有反射层的菲涅尔微透镜单元，或者是全反射微结构单元。光学结构层10具有反光特性。滤光层20是由具有预定透光率的材料构成的。滤光层20的表面开有透光孔21，并且该透光孔21正好位于微透镜阵列层30中的微透镜单元的焦平面上。透光率的范围例如可以是25％～65％。微透镜阵列层30中排布有透镜阵列。滤光层20中的透光孔21的位置是基于微透镜阵列中的微透镜单元的光轴位置布置的，使得来自屏幕下方的投影光线经过微透镜的折射之后正好穿过滤光层20上的透光孔21。扩散层40用于扩散来自微透镜阵列层30的准直光束，以使投影屏幕100具有更大的可视角度。

如图1中的a所示，来自位于屏幕下方的短焦或超短焦投影机的投影光线A0经微透镜阵列层30折射聚焦后通过滤光层20的透光孔21。透过滤光层20的透光孔21的投影光束经光学结构层10的反射(例如，镜面反射或全反射)后穿过滤光层20，最后透过扩散层40进入观众的视场。如图1中的b所示，来自屏幕上方或斜前方的环境光线A1和A2由于入射方向和角度与投影光线A0截然不同，因此经微透镜阵列层30的折射后入射的位置与滤光层20中的透光孔21的位置不匹配。因此，如图中所示，绝大部分的环境光线从入射到出射要受到滤光层20的两次衰减，出射时的光强度远远小于只经过一次衰减的投影光线A0的光强度，因而提高了屏幕的抗环境光能力。另外，由于光学结构层10具有高反射率，所以根据本发明的投影屏幕100还能够具有高屏幕增益。根据本发明的投影屏幕100通常用于短焦或超短焦投影机，两者一起构成具有高增益和高对比度的投影系统。

2.提高对比度的原理论述

如上所述，为提高屏幕的对比度，本发明的投影屏幕100采用了微透镜阵列与透光孔相配合的技术方案。由于环境光线从入射到出射要经过两次滤光层，因此可以有效吸收环境光，提高屏幕的抗环境光能力。下面将对这方面进行详细的说明。

首先，假设滤光层20的透光率为a，光学结构层10的反射率为b，则根据本发明的投影屏幕100对于投影光线和环境光线的总反射率分别为：

r_投影＝ab (1)

r_环境＝a²b (2)

在本文中，将屏幕的黑色对比度定义为环境光照射在朗伯散射体上的亮度和照射在屏幕上的亮度的比值。因为环境光来自于各个方向，所以将屏幕表面近似看成一个朗伯散射表面，则可以获得如下公式。

这里，ρ为黑色对比度，E_环境是环境光在屏幕表面处的照度。

那么，假设滤光层20的透光率为50％，光学结构层10的反射率为90％，则投影屏幕100相对于投影光线的反射率r_投影为45％，而相对于环境光线的反射率r_环境约为23％。由上面的公式(3)可以算出，在此情况下本发明的投影屏幕100的对比度为4.3。这一数值已经高于市面上一般的抗环境光屏幕的对比度。而实际上，如图3所示，对于光学结构层10采用菲涅尔透镜加反射层的结构的情况，一部分环境光线(例如，环境光线A1)因入射角度会被光学结构层10反射两次，因此这部分环境光的实际反射率要低于23％。另外，对于光学结构层10采用全反射结构的情况，大部分环境光线因不满足全反射条件会透过光学结构层，因此这部分环境光的实际反射率要远低于23％。因此，根据本发明的投影屏幕100的实际对比度会更加理想。

另外，已知白色朗伯漫反射的观看视角为±60度，如果反射率为100％则能够实现增益为1.0的屏幕效果。若屏幕的反射率下降，则漫反射的增益也会随之下降。对于一般的投影观看应用，视角为±20～30度已经能够满足一般家庭的观看需求，因此通过缩小观看视角的方法可以将低反射率屏幕的增益提高到大于1.0的水平。以±22.5度视角为例，图4示出了当滤光层20的透光率为50％时，光学结构层10的反射率与屏幕增益的关系。由图4可以知晓，在此情况下，根据本发明的投影屏幕100的光学结构层10的反射率范围优选为42％～100％。本领域技术人员可以根据设计需要，通过调节光学反射层10的反射率和滤光层20的透光率的不同组合，开发出具有不同增益和视场角度的多种产品。

3.微透镜阵列层的布置原理

下面，将参照图5详细说明微透镜阵列层30与光学结构层10和滤光层20之间的位置关系和布置原理。

如图5所示，假设投影机的投影光线A0的入射角度为θ₁，投影光线A0经微透镜阵列层30中的微透镜单元偏折后与图中的水平方向(即，垂直于屏幕平面的方向)的角度为θ₂，微透镜阵列层30中的相邻微透镜单元的顶点之间的距离为a，微透镜单元的曲率半径为r，微透镜单元的焦距为f，微透镜阵列层30(即，微透镜单元)与光学结构层10的水平距离为d，滤光层20与光学结构层10的水平距离为l，n₂为微透镜阵列层30的材料的折射率，n₁为位于微透镜阵列层30外侧的介质的折射率。

由几何光学原理可知，微透镜单元与光学结构层10的水平距离d可以如下表示：

并且，可知微透镜单元的曲率半径r可以由下式表示：

其中，d＝f+1，

因此，

由上式(4)～(6)可知，投影光线经微透镜单元折射后的入射角度θ₂、相邻微透镜单元的顶点之间的距离a、透镜单元的焦距f以及滤光层20与光学结构层10之间的距离l共同决定了透镜单元的曲率半径r。

在实际应用中，由于短焦或超短焦投影机的摆放位置位于屏幕下方，所以来自投影机的投影光线在整个投影屏幕上的入射角度θ₂是不同的，因此存在着如下情况：

情况(1)：当微透镜阵列层30中的微透镜单元的顶点之间的距离a固定时，则微透镜阵列层30与光学结构层10的水平距离d是变化的，因此微透镜单元的焦距f也会随之改变，并且滤光层20与光学结构层10之间的距离l也随着投影光线的折射角度θ₂变化，因此导致微透镜单元的曲率半径r是变化的；

情况(2)：当微透镜阵列层30与光学结构层10的水平距离d固定不变时，则微透镜单元的顶点之间的距离a是变化的，并且滤光层20与光学结构层10之间的距离l也随着投影光线的折射角度θ₂变化。

综合上述两种情况可知，在根据本发明的投影屏幕100的微透镜阵列层30中，微透镜单元的曲率半径r和/或微透镜单元的顶点之间的距离a是变化的(例如，根据投影光线的折射角度θ₂的变化而改变)，亦即，微透镜阵列是非周期性排布的。这种非周期的微透镜阵列结构也避免了产生衍射或摩尔纹效果。

4.第一实施例

下面，将具体说明根据本发明的投影屏幕的第一实施例。

如前所述，根据本发明的投影屏幕100由内至外依次为光学结构层10、滤光层20、微透镜阵列层30以及扩散层40。

在第一实施例中，光学结构层10通过热压印或UV胶水转印的方式制备在透明基材上。透明基材包括PET、PC、PVC、PMMA等有机材料。光学结构层10可以包含涂覆有反射层的菲涅尔微结构，如图6的a所示；或者，可以包含全反射微结构，如图6的b所示。若采用菲涅尔微结构单元作为光学微结构单元，光学结构层10例如包括透明的基材层11和菲涅尔微结构层12。可以通过喷涂、丝网印刷、打印等方式将反射材料均匀地涂覆在菲涅尔微结构的表面，并精确控制打印的厚度。通常，为了使得微结构表面的反射材料不改变微结构的倾斜角度，涂覆厚度的范围一般不得超过微结构单元的节距的1/5。反射材料例如可以由铝片、铝粉或银粉等金属反射材料和其它助剂混合而成。助剂包括流平剂、润湿剂与消泡剂等用于增加涂布效果的一定比例的混合物和用作溶剂的无水丙酮、无水二甲苯、无水环已酮、无水丁酮、乙酸乙酯和无水醋酸丁醋等一定比例的混合物等。若光学微结构单元为全反射微结构单元，为了提高屏幕对比度，在全反射微结构的背面通过胶水粘接有黑色吸光层。也即是，光学结构层10包括基材层11、全反射微结构层13和黑色吸光层14。全反射微结构单元包含形成预定夹角的两个全反射表面。投影光线满足全反射条件，在两个全反射表面上均发生全反射；不满足全反射条件的环境光线穿过光学微结构层被后面的黑色吸光层吸收。黑色吸光层例如可以用基底材料通过挤出方式形成，也可以通过在透明基材上喷涂黑色油墨形成。黑色或者灰色的基底材料可以通过在透明基底材料中掺杂黑色吸收材料颗粒制成。黑色吸收材料例如可以是有机颜料(偶氮等)及无机颜料(例如炭黑、石墨，金属氧化物等)。

微透镜阵列层30可以通过如下方法形成：先在基材表面涂覆一定厚度的胶水，然后采用结构转印并配合UV光固化；或者，直接在基材表面进行热压印。基材可以选择透光性优良的PC、PET或者PMMA等有机材料。滤光层20例如可以形成在微透镜阵列层30的基材的背侧(即，与形成有微透镜阵列的一侧相反的侧)。例如，在基材的背侧均匀涂敷一层具有预定透光率的滤光材料制剂，并且利用微透镜阵列的聚光效应，根据选择性光固化原理使滤光材料在预定位置处固化在微透镜阵列的背面。具体地，为了将投影机的投影光线尽可能多的引导至光学结构层10的表面，涂料的固化光源位置应该跟投影机的实际使用位置尽可能的重合。固化光源发出的光经过微透镜单元聚焦后，会形成一个缩小的光斑。由于滤光材料制剂里含有感光胶水，在被光斑照射的区域内感光胶水会发生固化反应，而在光斑范围外的感光胶水不发生固化反应。将位于预定位置处的发生固化反应的滤光材料冲洗掉，从而形成了具有透光孔21的滤光层20。扩散层40可以是体扩散膜、表面扩散膜，或者将微透镜阵列表面做磨砂处理。

如上所述，扩散层40、微透镜阵列层30、滤光层20以及光学结构层10通过胶水贴合，从而形成了具有高增益、高对比度的根据本发明第一实施例的投影屏幕。

5.第二实施例

下面，将参照图7说明根据本发明的投影屏幕的第二实施例。第二实施例是第一实施例的变型，主要区别在于微透镜阵列层30中的微透镜单元以及滤光层20中的透光孔21的布置方式。因此，在下面的说明中将不再重复说明与第一实施例相同的部分。

在第一实施例中，如图7的a所示，微透镜阵列层30的微透镜阵列采用的是截面为圆形的球状微透镜单元。投影光线经球形透镜聚焦所成的光斑为圆形，因此滤光层20上与微透镜阵列对应的透光孔21可以为圆形孔。在这种情况下，透光孔21占据滤光层20的面积的比例最小，从而能够使更多的环境光线受到两次衰减，得到更高的对比度。但是，这种球透镜使得出射光束在水平和竖直两个方向都被压缩，因而视场角度较小。因此，在第二实施例中，可以采用图7的b所示的只在竖直方向上对光束进行压缩的柱状透镜，从而保证屏幕在水平方向上的视角。但是，在此情况下，由于配合这种透镜的透光孔21是长条状的槽形开口，开口面积增大，所以会导致对比度降低。若考虑兼顾屏幕的视角和对比度的折衷方案，微透镜阵列层30的微透镜阵列可以选取如图7的c中所示的横截面为椭圆形的椭球型透镜。椭球型透镜的长轴沿水平方向，短轴沿竖直方向，长轴方向的曲率半径r₂介于短轴曲率半径r₁和无穷大之间。在微透镜单元采用椭球型透镜的情况下，相比于柱状透镜提高了屏幕的对比度，相比于球状透镜改善了屏幕的水平观看视角。需要说明的是，为了与如图2所示的光学结构层10的环形布置相匹配，在上述三种情况下微透镜阵列层30中的微透镜单元均是类似的环状排列。

另外，如上所述，在第一实施例中，滤光层20选取具有预定透光率的材料。例如，以PET、PI、PC、PP、PMMA等材料为基材，在其中加入诸如炭黑、石墨等暗色系的粒子。如图8的a所示，与微透镜阵列层30的半球状的微透镜单元对应地，滤光层20中的的透光孔21是圆形孔。但是，在第二实施例中，为了与微透镜阵列层30中的结构相匹配，滤光层20中的透光孔21也相应地采用环状排布的长条状孔或椭圆形孔，如图8的b和c中所示。另外，滤光层20中的透光孔21也可以采用其他形状，如方形(如图8的d所示)或三角形等，只要能够与微透镜阵列层的微透镜单元的形状相匹配即可，没有特别的限定。

尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的投影屏幕和投影系统，但是本发明不限于此。例如，在一些情况下，根据本发明的投影屏幕可以仅设置有光学结构层10、滤光层20和微透镜阵列层30，而不设置扩散层40。在此情况下，可以通过在微透镜阵列层30或者光学结构层10的表面设置散射结构来实现扩散层40的功能。另外，在上文中，说明了光学微结构单元是涂覆有反射层的菲涅尔微透镜单元或者是全反射微结构单元；但光学微结构单元的类型和结构不限于此，而是可以采用所有已知的具有适合的反射特性的光学微结构单元。因此，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

1.一种投影屏幕，其特征在于，包括从投影光线的入射侧依次布置的微透镜阵列层、滤光层和光学结构层，所述微透镜阵列层包括多个微透镜单元，所述滤光层具有预定的透光率并且设置有透光孔，所述光学结构层具有能够反射入射光的光学微结构单元，所述透光孔正好位于所述微透镜单元的焦平面上并且所述投影光线经过所述微透镜单元的折射后正好穿过所述透光孔。

2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，在所述投影屏幕的屏幕平面上，所述微透镜阵列层的所述微透镜单元、所述滤光层的所述透光孔和所述光学结构层的所述光学微结构单元均排布成圆环形状。

3.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，所述光学结构层的所述光学微结构单元是涂覆有反射层的菲涅尔微透镜单元，并且所述光学结构层包括基材层和菲涅尔微结构层。

4.根据权利要求3所述的投影屏幕，其特征在于，所述反射层的涂覆厚度不超过所述光学微结构单元的节距的1/5。

5.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，所述光学结构层的所述光学微结构单元是全反射微结构单元，并且所述光学结构层包括透镜基材层、全反射微结构层和黑色吸光层。

6.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，在整个所述投影屏幕中，所述微透镜阵列层中的所述微透镜单元的曲率半径和/或相邻的所述微透镜单元的顶点之间的距离根据所述投影光线经过所述微透镜单元的折射后的折射角度的变化而变化。

7.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，所述滤光层的透光率的范围是25％～65％。

8.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，所述光学结构层的反射率的范围是42％～100％。

9.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，所述微透镜单元是球状微透镜单元，所述透光孔是圆形孔；或者

所述微透镜单元是柱状微透镜单元，所述透光孔是长条状的槽形开口；或者

所述微透镜单元是椭球状微透镜单元，所述透光孔是椭圆形孔。

10.根据权利要求1或2所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕还包括扩散层，所述扩散层位于所述微透镜阵列层的外侧。

11.一种投影系统，包括投影屏幕和投影机，其特征在于，所述投影屏幕是如权利要求1至11中任一项所述的投影屏幕。

12.根据权利要求11所述的投影系统，其特征在于，所述投影机是短焦投影机或超短焦投影机。