CN113219776A - 一种投影屏幕以及投影系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种投影屏幕，该投影屏幕至少包括扩散层、反射层以及微结构层，反射层设置于扩散层与微结构层之间，微结构层包括多个菲涅尔结构，每个菲涅尔结构包括第一面和第二面，反射层局部形成于菲涅尔结构的第一面上，扩散层用于将入射的投影光束输入至反射层，反射层将投影光束反射至视场区域。通过上述方式，本申请能够提高投影屏幕的亮度增益和抗环境光对比度一致性。

Description

一种投影屏幕以及投影系统

技术领域

本申请涉及投影技术领域，具体涉及一种投影屏幕以及投影系统。

背景技术

超短焦投影显示以其较大的显示尺寸(例如100寸)受到消费者的欢迎，与投影机配合使用的投影屏幕由于可以显著提升投影显示效果，也成为当前投影机重要的配套产品之一。投影屏幕的重要作用之一是提高显示亮度，高增益投影屏幕的使用可以降低对投影机输出的光通量的要求，提高投影显示系统的实用性价比；此外，投影屏幕的另一重要作用是在反射投影光的同时吸收环境光，使得观众在白天和室内光照条件下可正常观看投影画面，不被环境光影响画面质量。

目前市面上有提高投影屏幕的增益和对比度性能的方案，但是这两个性能参数此消彼长，难以兼顾。有些线栅投影屏幕由于使用了选择性涂覆的反光涂层，对比度大大提高了，但是增益较低，没有普通白幕的增益高。因此，如何设计同时具有对比度和亮度增益的抗光幕，成为本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本申请主要解决的问题是提供一种投影屏幕以及投影系统，能够提高投影屏幕的对比度和增益。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：提供一种投影屏幕，其特征在于，至少包括扩散层、反射层以及微结构层，反射层设置于扩散层与微结构层之间，微结构层包括多个菲涅尔结构，每个菲涅尔结构包括第一面和第二面，反射层局部形成于菲涅尔结构的第一面上，扩散层用于将入射的投影光束输入至反射层，反射层将投影光束反射至视场区域。

在一实施例中，微结构层的材料为吸光材料，微结构层用于吸收入射的光束。

在一实施例中，吸光材料为黑色结构胶，结构胶包括紫外固化胶、热塑材料或热固材料。

在一实施例中，投影屏幕还包括第一贴合层，扩散层与微结构层通过第一贴合层连接固定；第一贴合层为透明紫外固化胶或热固化胶，第一贴合层的厚度小于微结构层的深度，第一贴合层的厚度小于10μm。

在一实施例中，形成于菲涅尔结构的第一面的反射层的面积随着投影屏幕远离投影光源的方向逐渐增加。

在一实施例中，菲涅尔结构的第一面倾角为α，其中第一面倾角α随着投影屏幕远离投影光源的方向而增加。

在一实施例中，菲涅尔结构的第二面倾角为β，投影光源出射的投影光束的倾斜角θ与第二面倾角β的和小于90°，且第二面倾角β随着投影屏幕远离投影光源的方向而减小。

在一实施例中，微结构层与扩散层的贴合处为平面，且平面的面积大于预设面积；投影屏幕还包括第二贴合层与基底层，基底层与微结构层通过第二贴合层连接固定，且第二贴合层设置在微结构层远离扩散层的一侧。

在一实施例中，微结构层为透明材料，微结构层用于将扩散层输出的投影光束经由第二贴合层传输至基底层，基底层的材料为吸光材料。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种投影系统，该投影系统包括投影光源和投影屏幕，其中，投影光源用于产生投影光束，投影屏幕用于接收投影光束，对投影光束进行处理，并将处理后的投影光束反射至视场区域，投影屏幕为上述的投影屏幕。

通过上述方案，本申请的有益效果是：投影屏幕包括扩散层、反射层和微结构层，其中微结构层包括多个菲涅尔结构，通过局部形成于菲涅尔结构上的反射层，一方面提高投影屏幕的亮度增益，同时又可维持投影屏幕的抗环境光对比度一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请提供的投影屏幕一实施例的结构示意图；

图2是图1所示的实施例中菲涅尔结构的结构示意图；

图3是本申请提供的投影屏幕另一实施例的结构示意图；

图4是图3所示的实施例中环境光与投影屏幕的结构示意图；

图5是图3所示的实施例中投影屏幕的结构示意图；

图6是图3所示的实施例中第一面倾角与屏幕纵向位置之间的曲线关系示意图；

图7(a)是图3所示的实施例中菲涅尔结构的深度与屏幕纵向位置之间的曲线关系示意图；

图7(b)是图3所示的实施例中菲涅尔结构的深度与屏幕纵向位置之间的另一曲线关系示意图；

图8是图3所示的实施例中投影屏幕的另一结构示意图；

图9是图3所示的实施例中投影屏幕的又一结构示意图；

图10是图3所示的实施例中环境光与投影屏幕的另一结构示意图；

图11是本申请提供的投影系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参阅图1，图1是本申请提供的投影屏幕一实施例的结构示意图，投影屏幕10至少包括扩散层11、反射层12以及微结构层13。

反射层12设置于扩散层11与微微结构层13之间，且扩散层11、反射层12以及微结构层13依次设置于投影光源20输出的投影光束的光路上。微结构层13包括多个菲涅尔结构131，菲涅尔结构131的结构如图2所示，每个菲涅尔结构131包括第一面1311和第二面1312，且反射层12设置于第一面1311上，进一步反射层12贴合于菲涅尔结构131的第一面1311，反射层12可以覆盖菲涅尔结构131第一面1311的局部区域，在制作反射层12时可在菲涅尔结构131的第一面1311上选择性涂覆反射材料，以形成反射层12；可以理解的是，反射层12也可以全部覆盖菲涅尔结构131第一面1311。

投影屏幕10可以配合投影光源20使用，如图1所示，投影光源20产生投影光束，并将投影光束输出至投影屏幕10，投影光源20可以为一般投影机、短焦投影机或超短焦投影机；投影光源20发出的投影光束可穿过扩散层11照射在反射层12上，通过反射层12的反射再次经过扩散层11出射，其中扩散层11用于对投影光进行扩散，增加投影屏幕的可视角，另外需要说明的，大部分的投影光束经过菲涅尔结构131第一面1311上的反射层12反射出射，小部分的投影光束入射在菲涅尔结构131未设置反射层12的区域，此部分投影光束直接被菲涅尔结构131吸收或通过菲涅尔结构131出射。

扩散层11用于将入射的投影光束输入至反射层12，反射层12将投影光束反射至观众的视场区域，具体地，投影光源20出射的投影光束进入扩散层11，被扩散层11处理后到达反射层12的界面上，再被反射层12反射后经过扩散层11后从投影屏幕10射出，到达视场区域。

菲涅尔结构131的第二面1312可用于接收干扰光束，并对干扰光束进行处理，该干扰光束可为环境光等其它杂散光；具体地，干扰光源30输出的干扰光束射入扩散层11，经扩散层11处理后，照射至菲涅尔结构131的第二面1312，第二面1312可对扩散层11出射的干扰光束进行吸收或者将干扰光束传输至其他膜层，防止干扰光束被反射层12反射至视场区域，总之照射至第二面1312或第一面1311未覆盖反射层区域的光束是不会出射到投影屏幕视场视角，相对于现有技术的线栅结构，本实施例中菲涅尔结构，可对投影屏幕上下左右方向的干扰光束进行吸收，进一步提高投影屏幕的对比度，另外菲涅尔结构使得反射层将更多的投影光束反射向观众视角，增加了投影系统的出射光亮度，配合扩散层对出射光束的匀光，进一步提高了投影系统的可视角。

本实施例中的投影屏幕10包括扩散层11、反射层12和微结构层13，扩散层11可以调整投影屏幕10的纵向视角与横向视角；在形成反射层12时可在微结构层13上选择性涂覆反射材料，以使得反射层12部分覆盖微结构层13，干扰光束可被第二面1312或第一面1311未覆盖反射层的区域处理，使得干扰光束无法反射至视场区域，避免产生干扰光束，有利于提高投影屏幕10的对比度和增益。

参阅图3，图3是本申请提供的投影屏幕另一实施例的结构示意图，与上述实施例不同的是，本实施例中投影屏幕10还包括第一贴合层14、第二贴合层15以及基底层16。

扩散层11与微结构层13通过第一贴合层14连接固定，第一贴合层14为透明紫外固化胶或热固化胶，第一贴合层14的厚度w小于微结构层13的深度d，为了不影响投影屏幕10的增益性能，第一贴合层14的厚度w可小于10μm。

扩散层11的结构包括体扩散或表面微结构扩散，扩散层11可以扩大投影屏幕10反射投影光束的角度，从而扩大视角；在使用表面微结构的扩散层11时，通过对扩散层11表面微结构的设计，使得投影屏幕10显示的横向视角和纵向视角可分别被调制。

基底层16与微结构层13通过第二贴合层15连接固定，且第二贴合层15设置在微结构层13远离扩散层11的一侧。

菲涅尔结构131包括第一面1311和第二面1312，第一面1311可接收投影光束，由于第一面1311上涂覆有反射材料，可以有效反射投影光束；第二面1312为透明或黑色吸光材料，可以有效吸收环境光，阻止环境光从投影屏幕10反射出去，确保环境光很少被反射。在一具体的实施例中，当微结构为透光材料时，基底为吸光材料，干扰光源出射的干扰光束进入微结构，经菲涅尔结构的第二面透射进入微结构，由于微结构为透光材料，干扰光束穿过微结构后经第二贴合层被吸光材料的基底层吸收，实现消除干扰光的效果，提高对比度。在其它实施例中，微结构也可以为吸光材料，此时干扰光源出射的干扰光束进入微结构直接被吸收，实现抗干扰光的效果。

在一具体的实施例中，由于投影光束和环境光入射投影屏幕10的方向不同，可在菲涅尔结构131的入射面设置反射材料，而在其他面设置吸收材料；具体地，如图4所示，微结构层13的材料为黑色吸光材料，微结构层13用于吸收环境光；该黑色吸光材料可以为黑色结构胶，该结构胶包括紫外固化胶、热塑材料或热固材料。

反射层12的材料包括钛白粉、珠白、铝银或树脂材料，具体地，反射层12为钛白粉、珠白和铝银粉等作为固含的树脂材料，反射层12的反射率大于90％；基底层16的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，Polyethylene terephthalate)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl methacrylate)、聚碳酸酯(PC，Polycarbonate)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS，Acrylonitrile Butadiene Styrene)或热塑性聚氨酯(TPU，Thermoplasticpolyurethanes)等材料。

下面针对投影屏幕的结构设计具体分析，其中主要分析菲涅尔结构的参数选择。

在一具体的实施例中，投影光源20为超短焦投影机，结合参阅图4和图5，投影光束的出射角为θ，投影光束的出射角θ为超短焦投影机出射的投影光束与第一方向之间的夹角；屏幕纵向位置为y(h)，屏幕纵向位置y(h)为投影屏幕10上某一位置与地面之间的距离；菲涅尔结构131的深度为d，相邻两个菲涅尔结构131之间的距离为p；第一面倾角为α，第一面倾角α为第一面1311与第二方向之间的夹角，需要说明的是，第二面倾角为β，第二面倾角β为第二面1312与第二方向之间的夹角，且β>90°-α。需要说明的是，第一方向包括但不限于水平方向，在投影光源或投影屏幕非水平放置的实施例中，第一方向也可以为投影光源所在平面方向，同样的，第二方向包括但不限于垂直方向，在投影光源或投影屏幕非水平放置的实施例中，第二方向也可以是投影光源所在平面的垂直方向。由于微结构层13和扩散层11贴合的需要，每个菲涅尔结构131在贴合面上的高度一致，对于不同的屏幕纵向位置y(h)，相邻两个菲涅尔结构131之间的间距p和深度d不同，二者之间满足如下关系：

在具体投影屏幕设计中，微结构层的菲涅尔结构131既可以使用相同的间距p而改变深度d，也可以使用相同的深度d而改变间距p，当然，间距p和深度d也可同时改变，下面以固定间距p而改变深度d为例进行说明。

例如，观看距离D＝2.5m，观看高度H＝1.4m，投影光源20为超短焦投影机，超短焦投影机与地面之间的高度H_p＝0.8m，超短焦投影机与投影屏幕10之间的水平距离D0＝0.4m，投影屏幕10的中心高度等于观看高度H，屏幕纵向位置y(h)对应的第一面倾角α为：

第一面倾角α与屏幕纵向位置y(h)之间的对应关系如图6所示，从图中可看出第一面倾角α随着投影屏幕纵向位置y(h)的增加而增加，需要说明的是，由于微结构层的菲涅尔结构为环状分布的锯齿结构，其中每一环状锯齿结构的斜面α和β可认为是相同的，不同环状区的锯齿结构的α和β可认为是不同的，如图2所示。通过上述公式，第一面倾角α随着投影屏幕纵向位置y(h)的增加而增加，可理解为投影屏幕中心区域(最小半径环形区域)对应的环状锯齿结构的倾斜角向最远端区域(最大半径环形区域)对应的环状锯齿结构的倾斜角越来越大。

上述示例说明了第一面倾角α随着投影屏幕纵向位置y(h)的设计思路，下面对菲涅尔结构的β和深度d的设计进行说明，具体可分为两种，其中第一种以第二面倾角β角度随投影光束的出射角α对应变化，其中变化关系为β＝90°-θ，来进一步确定深度d与投影屏幕纵向位置y(h)的变化关系；第二种将第二面倾角β作为固定角度来设计，以确定深度d与投影屏幕纵向位置y(h)的变化关系。

第一种：第二面倾角β可以随投影光束的出射角θ而变化，第二面倾角β与投影光束的出射角θ的关系如下，此种关系下的菲涅尔微结构对应投影光束完全照射在第一面。

β＝90°-θ

此种情况下，菲涅尔结构131的深度d与屏幕纵向位置y(h)之间的对应关系可如图7(a)所示，即投影屏幕的深度d随着投影屏幕纵向位置y(h)的增加而减小。

第二种，第二面倾角β也可以为固定值，如下所示：

β＝90°-θ_min＝27.2°

θ_min为投影光束的出射角的最小值，此种情况下，菲涅尔结构131的深度d与屏幕纵向位置y(h)之间的对应关系可如图7(b)所示，即投影屏幕的深度d随着投影屏幕纵向位置y(h)的增加而增大。

上文对投影屏幕的微结构参数选择进行了说明，抗环境光对比度作为投影显示的一重要参数，下面我们针对投影屏幕的抗环境光对比度的设计进行说明，

投影屏幕10的上下对比度一致也是评价投影屏幕10的标准之一，菲涅尔结构131中没有涂覆反射材料的区域在投影平面上所占比例决定了抗环境光的对比度ALR(y)，定义投影屏幕10的抗环境光对比度为：

其中，W_p是反射层12映射在投影平面上的宽度。

从上述公式及图5可以看出，在第一倾斜面α角度不做调整的基础上，反射层12映射在投影平面上的宽度随着投影屏幕纵向位置y(h)的增加逐渐减少，对应投影屏幕10的抗环境光对比度随着投影屏幕纵向位置y(h)的增加逐渐增大。即离超短焦投影机越远的区域抗环境光对比度越高，一定程度上会影响观看效果；为了进一步提高抗环境光对比度的一致性，可通过以下两种方法实现：

第一种：可增大反射层12在菲涅尔结构第一面1311上的面积，进一步反射层12在菲涅尔结构第一面1311上的面积随投影屏幕纵向位置y(h)的增加逐渐增加，即离超短焦投影机越远的区域的菲涅尔结构第一面1311上贴合的反射层12面积越大；增加的反射层在一定程度上不会反射投影光，但会反射环境光，使得一部分环境光进入观众视角，进而抗环境光对比度相对于增加前有所减小，因此可通过增加反射层面积的方式以有效提高投影屏幕10的对比度一致性。

第二种：如图8所示，可通过减小菲涅尔结构的第二面倾角β，来提升投影屏幕10的对比度一致性，具体来说，减小第二面倾角β使得投影光源出射的投影光束照射在投影屏幕距离投影光源较近的位置时，投影光束全部照射在菲涅尔结构的第一面1311上，此时的β近似等于90°-θ，抗环境光对比度为投影屏幕实际所能达到的抗环境对比度；但当投影光束照射在投影屏幕距离投影光源较远的位置时，由于第二面倾角的减小β，β<90°-θ，此时投影光源出射的光束不全照射在菲涅尔结构的第一面1311上，还有一部分会照射在第二面上，照射在第二面上的投影光束直接被吸收，不会被反射会观众视角，进而抗环境光对比度相对于较近位置有所减小，因此可通过减小菲涅尔结构第二面倾角β的方式以有效提高投影屏幕10的对比度一致性。

进一步，在投影屏幕10距离超短焦投影机较近的位置，投影光束全部照射在菲涅尔结构的第一面1311上，此时的β角度近似等于90°-θ，结合上述的抗环境光对比度公式，投影屏幕10的抗环境光对比度公式转换为：

上述公式，对比度的分布和第二面倾角β有关，可以通过设定第二面倾角β使得对比度ALR(y)保持定值；

进一步，在投影屏幕10距离超短焦投影机较远的位置，根据上述转换后的公式，要维持与投影屏幕较近位置的对比度ALR(y)定值，此时第二面倾角β的角度需要更小，即β<90°-θ。第二面倾角β的角度减小体现在菲涅尔结构上的变化为，投影光源出射的投影光束不完全照射在菲涅尔结构的第一面1311上，还有一部分投影光束会照射在第二面上，照射在第二面上的投影光束直接被吸收，不会被反射会观众视角，进而抗环境光对比度相对于较近位置有所减小，因此可通过减小菲涅尔结构第二面倾角β的方式以有效提高投影屏幕10的对比度一致性。

进一步举例说明，假设在投影屏幕10距离超短焦投影机较近的位置时，α＝45°，β＝45°，带入上述转换后的公式，此时的抗环境光对比度ALR(y)＝1/2，1/2作为投影屏幕任何位置的抗环境光对比度固定值；此时假设在投影屏幕10距离超短焦投影机较远的位置，此时α＝60°，上述已经说明α随投影屏幕纵向位置的增加而增加，带入上述转换后的抗环境光对比度ALR(y)＝1/2，可得出β＝30°，因此可通过减小菲涅尔结构的第二面倾角β维持投影屏幕的抗环境光对比度一致性。

为了提升扩散层11和微结构层13的贴合稳定性，微结构层13与扩散层11的贴合处可以为平面，且平面的面积大于预设面积，以增大贴合面积，如图9所示，微结构层13与扩散层11的接触面的面积大于图3中接触面的面积。

在另一具体的实施例中，如图10所示，微结构层13为透明材料，微结构层13用于将扩散层11输出的投影光束经由第二贴合层15传输至基底层16；基底层16的材料为黑色吸光材料，以吸收经透明材料微结构层透射的干扰光束，如黑色PET、PMMA、PC、ABS或TPU等材料。

本实施例中的投影屏幕10为高增益抗环境光屏幕，投影屏幕10上分布着菲涅尔结构131，投影光束照射在菲涅尔结构131上，每一个菲涅尔结构131可以被投影光束照射到的区域设置有反射层12，以将投影光束反射至观众的视场区域，扩散层11与微结构层13贴合，以控制显示的视角，可通过控制第一面倾角α或第二面倾角β来调整对比度均匀性，有助于提高投影屏幕10的对比度均匀性。

请参阅图11，图11是本申请提供的投影系统一实施例的结构示意图，投影系统110包括投影屏幕10和投影光源20，投影光源20用于产生投影光束，投影屏幕10用于接收投影光束，对投影光束进行处理，并将处理后的投影光束反射至视场区域，投影屏幕10为上述实施例中的投影屏幕10。

投影系统110中的投影屏幕10具有高增益、高对比度和合适的视角等优势，投影屏幕10和投影光源20的配合使用，可以极大的提升画面显示效果。

以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影屏幕，其特征在于，至少包括扩散层、反射层以及微结构层，所述反射层设置于所述扩散层与所述微结构层之间，所述微结构层包括多个菲涅尔结构，每个所述菲涅尔结构包括第一面和第二面，所述反射层局部形成于所述菲涅尔结构的第一面上，所述扩散层用于将入射的投影光束输入至所述反射层，所述反射层将所述投影光束反射至视场区域。

2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，

所述微结构层的材料为吸光材料，所述微结构层用于吸收入射的光束。

3.根据权利要求2所述的投影屏幕，其特征在于，

所述吸光材料为黑色结构胶，所述结构胶包括紫外固化胶、热塑材料或热固材料。

4.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，

所述投影屏幕还包括第一贴合层，所述扩散层与所述微结构层通过所述第一贴合层连接固定；所述第一贴合层为透明紫外固化胶或热固化胶，所述第一贴合层的厚度小于所述微结构层的深度，所述第一贴合层的厚度小于10μm。

5.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，形成于所述菲涅尔结构的第一面的所述反射层的面积随着投影屏幕远离投影光源的方向逐渐增加。

6.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述菲涅尔结构的第一面倾角为α，其中所述第一面倾角α随着投影屏幕远离投影光源的方向而增加。

7.根据权利要求6所述的投影屏幕，其特征在于，所述菲涅尔结构的第二面倾角为β，投影光源出射的投影光束的倾斜角θ与所述第二面倾角β的和小于90°，且所述第二面倾角β随着投影屏幕远离投影光源的方向而减小。

8.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，

所述微结构层与所述扩散层的贴合处为平面，且所述平面的面积大于预设面积；所述投影屏幕还包括第二贴合层与基底层，所述基底层与所述微结构层通过所述第二贴合层连接固定，且所述第二贴合层设置在所述微结构层远离所述扩散层的一侧。

9.根据权利要求8所述的投影屏幕，其特征在于，

所述微结构层为透明材料，所述微结构层用于将所述扩散层输出的投影光束经由所述第二贴合层传输至所述基底层，所述基底层的材料为吸光材料。

10.一种投影系统，其特征在于，包括投影光源和投影屏幕，其中，所述投影光源用于产生投影光束，所述投影屏幕用于接收所述投影光束，对所述投影光束进行处理，并将处理后的投影光束反射至视场区域，所述投影屏幕为权利要求1-9中任一项所述的投影屏幕。

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