CN115167069A - 一种投影屏幕及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种投影屏幕及投影系统，涉及投影显示领域，投影屏幕上设置有用于控制投影光线传输方向的光学透镜层，所述光学透镜层包括在投影屏幕的平面同向排列的截面呈锯齿状的若干微透镜单元，所述微透镜单元包括用于控制光线补偿的第一斜面；选择任意所述微透镜单元为第一微透镜单元，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角，或者所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角。本发明所述的投影屏幕及投影系统有效提升了光能利用率、能量分布均匀性并降低了制作难度和成本。

Description

一种投影屏幕及投影系统

技术领域

本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影屏幕及其组成的投影系统。

背景技术

投影显示系统中需要有投影装置和投影屏幕，投影屏幕的作用是将投影装置发出的图像进行成像和对投影光强进行重新分布， 常见的投影屏幕都是在屏幕结构层内增加扩散层或者是在光学结构上制作扩散结构来对光强进行重新分布，比如国内专利申请公布号为CN107561847A的专利文件中就描述了投影屏幕包括菲涅尔柱面层、着色层、基层、散射层（扩散层）、圆形菲涅尔透镜层和反射层，其中散射层和菲涅尔透镜层上设置有竖直排列的柱面透镜单元都是利用扩散结构来对光强进行重新分布，以期望获得亮度的提升和可控的视角，但是这种投影屏幕的组成结构层数非常多，造成了加工难度和成本的大量增加以及由于屏幕结构层数较多大量光线在屏幕结构层内发生全反射损失造成屏幕的亮度降低，光能利用效率较低；同时由于单个光学结构本身不能扩展光强的分布范围，仅仅通过散射层和菲涅尔透镜层上的柱面结构单元来间接调整光强的分布，可控性较差也造成光能的浪费和屏幕的能量分布不均匀。

发明内容

本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种投影屏幕，通过设置控制光线补偿的微透镜单元，精确控制出射光线的传输方向，解决目前技术中投影屏幕结构层数多，光能利用率低，加工难度和成本过高以及屏幕能量分布不均匀的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是 ：

一种投影屏幕，投影屏幕上设置有用于控制投影光线传输方向的光学透镜层，所述光学透镜层包括在投影屏幕的平面同向排列的截面呈锯齿状的若干微透镜单元，所述微透镜单元包括用于控制光线补偿的第一斜面；选择任意所述微透镜单元为第一微透镜单元，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角，或者所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角。

本发明通过控制第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角、与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的大小关系，来控制投影光线的传输方向，从而补偿与第一微透镜单元相邻的微透镜单元处投影光线的传输范围，相比于现有技术中整个投影屏幕需要在光学透镜层的基础上，结合散射层以及其它微结构层来对光能量进行分布，本发明不需要散射层以及其它微结构层，即可实现光能量在投影屏幕上精确的均匀分布并扩展分布范围，即本发明仅需要控制微透镜单元中用于控制光线补偿的第一斜面的角度，减少了投影屏幕多层结构对光能的浪费，实现光能量的均匀分布，提升光能利用率。本发明中选择任意微透镜单元作为第一微透镜单元，也就是说，第一微透镜单元的位置是不固定，具有随机性，随机选择一条微透镜单元作为第一微透镜单元后，与第一微透镜单元相邻的微透镜单元随之确定，则相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角、第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角两者的大小关系也相应确定下来，也就是说任意选择一条微透镜单元作为第一微透镜都满足“所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角，或者所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角”的关系；相比于现有技术中整个投影屏幕的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角是相同的，或者往一个方向连续变小或者连续变大，微透镜单元只是对光线起汇聚作用，需要进一步通过散射层以及其它微结构层使投影光线散射成像，通过散射层以及其它微结构层对投影光线传输方向的可控性较差，如在投影屏幕内部会发生多次全反射消光或者投影光线被散射到非观看区域等，造成投影光线的浪费，投影屏幕的能量利用率低；本发明通过第一微透镜单元第一斜面、相邻的微透镜单元第一斜面倾斜角度的控制，实现投影光线传输方向的控制，进而补偿第一微透镜单元相邻的微透镜单元的投影光线传输范围，实现光能量在投影屏幕上精确的均匀分布并扩展分布范围。

进一步的，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角比与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大不超过5°，0°～5°（不包括0°，包括5°）是对第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的补偿，比如第一微透镜单元不在投影屏幕的最边缘处，那么第一微透镜单元拥有两条相邻微透镜单元，取所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角和与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角相比大5°，那么一条相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围可以达到10°，两条相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围总和可以达到20°，这相对于现有技术的投影屏幕投影光线出射范围最大40°来说，投影光线的传输补偿范围提升了50%，效果非常明显。

进一步的，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角比与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小不超过5°，同上所述，0°～5°（不包括0°，包括5°）是对第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的补偿，比如第一微透镜单元不在投影屏幕的最边缘处，取所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角和与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角相比小5°，相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围总和可以达到20°，相对于现有技术的投影屏幕投影光线出射范围最大40°来说，投影光线的传输补偿范围提升了50%。

进一步的，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面上呈同心圆环状排列，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足下述关系公式：

；

其中，n为第一微透镜单元材料折射率；

r为所述第一微透镜单元的半径，单位为毫米；

s为常数，取值为150～5000，单位为毫米；

d与投影屏幕显示尺寸正相关，单位为毫米。

实施方便、计算简单，能精确的拟合出第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角与第一微透镜单元的半径之间的变化关系，第一微透镜单元按照上述关系公式进行具体的设计，包括第一微透镜单元的第一斜面等使得微透镜单元对投影光线的传输达到设计要求，也就是说任意选定的第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足上述关系公式，当第一微透镜单元确定后，第一微透镜单元的半径也随之确定，第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角两者的关系也相应确定下来。

进一步的，若干所述微透镜单元在投影屏幕平面方向上呈非同心圆环状排列，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足下述关系公式：

；

其中，n为所述第一微透镜单元材料折射率；

r为所述第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离，单位为毫米；

s为常数，取值为150～5000，单位为毫米；

d与投影屏幕显示尺寸正相关，单位为毫米。

若干所述微透镜单元在投影屏幕平面上呈非同心圆环状排列，精确的拟合出第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角与第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离之间的变化关系，第一微透镜单元按照上述关系公式进行具体的设计，包括第一微透镜单元的第一斜面等使得微透镜单元对投影光线的传输达到设计要求，也就是说任意选定的第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足上述关系公式。

进一步的，投影屏幕还包括与所述光学透镜层相邻的基材层，设置所述基材层远离所述光学透镜层的一侧表面为粗糙面，对投影光线进行扩散，以起到匀光、增大视角、硬化保护和成像显示的效果。

进一步的，投影屏幕还包括设置在所述微透镜单元的第一斜面上的对投影光线在投影屏幕水平方向和竖直方向形成不同扩散角度的微结构，以获得更大的观看视角。

进一步的，投影屏幕还包括设置在所述微透镜单元的第一斜面上的反射层，所述反射层对投影光线进行反射成像，此技术方案可以应用到正投影屏幕上，即发出投影光线的投影装置和观众位于投影屏幕的同一侧。

进一步的，所述投影屏幕的水平观看视角大于20°，竖直观看视角小于20°，以观看者正对投影屏幕中心点位置为基准，投影屏幕中心点位置获得的能量为E，在投影屏幕水平方向上投影屏幕中心点左右两侧某一位置获得的能量为E/2，此时投影屏幕中心点左右两侧位置与投影屏幕中心法线的夹角之和为投影屏幕的水平观看视角；在投影屏幕竖直方向上投影屏幕中心点上下两侧某位置获得的能量为E/2，此时投影屏幕中心点上下两侧位置与投影屏幕中心法线的夹角之和为投影屏幕的竖直观看夹角。

一种投影系统，包括上述的投影屏幕以及向投影屏幕投射投影光线的投影装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述的投影屏幕及投影系统通过第一微透镜单元的第一斜面、相邻的微透镜单元的第一斜面倾斜角度的控制，实现投影光线传输方向的控制，进而补偿第一微透镜单元两边的投影光线传输范围，实现光能量在投影屏幕上精确的均匀分布并扩展分布范围，有效提升了光能利用率、能量分布均匀性和降低了屏幕制作难度和成本。

附图说明

图1是本发明实施例的投影屏幕断面结构示意图；

图2是本发明实施例的投影屏幕上微透镜单元两种排列示意图；

图3是本发明实施例的投影屏幕上微透镜单元对投影光线的控制示意图；

图4是现有技术投影屏幕光强分布和本发明的投影屏幕光强分布对比图；

图5是本发明实施例的投影屏幕的两种断面结构示意图；

图6是本发明实施例的投影屏幕的另一种断面结构示意图；

图7是本发明实施例的投影屏幕的观看视角示意图；

图8是本发明实施例的投影屏幕上光学透镜层的断面测试示意图；

图9是本发明实施例的投影屏幕的另一种断面结构示意图；

图10是本发明实施例的投影系统示意图。

图中：

10-投影屏幕；20-投影系统；101-基材层；102-光学透镜层；103-微透镜单元；1031-第一斜面；1032-第二斜面；104-粗糙面；105-微结构；106-反射层；D-投影屏幕下边边缘中点；O-同心圆圆心； G-投影光线；Y-投影装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中整个投影屏幕单元的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角要么是相同的，要么是往一个方向连续变小或连续变大的，其存在的缺陷是微透镜单元只起到光线汇聚作用，需要在投影屏幕上设置其它结构如散射层以及其它微结构层，才能使投影光线散射成像，但是通过散射层以及其它微结构层对投影光线传输方向的可控性较差，如在投影屏幕内部会发生多次全反射消光或者投影光线被散射到非观看区域等，造成投影光线的浪费，投影屏幕的能量利用率低，能量分布不均匀的问题；并且还造成投影屏幕结构层更多，加工难度、成本等增加，限制了投影行业的发展。

为了解决上述的问题，一种投影屏幕，如图1所示，包括基材层101，在投影屏幕上设置有用于控制投影光线传输方向的光学透镜层102，所述光学透镜层包括在投影屏幕的平面同向排列的截面呈锯齿状的若干微透镜单元103，所述微透镜单元103包括用于控制光线补偿的第一斜面1031；选择投影屏幕边缘处以外的其它任意所述微透镜单元103作为第一微透镜单元，记第一微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角为θ₁₁，与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角分别为θ₁₂、θ₁₃。从图1中可以看出，与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₂、θ₁₃均小于第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₁。

进一步的，如图1所示，还存在另一种情形：当取投影屏幕中与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₂的微透镜单元为第一微透镜单元时，此时的θ₁₂等效于上述的θ₁₁，而此时等效的θ₁₁对应的第一微透镜单元（即图中夹角θ₁₂对应的微透镜单元）的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于与之相邻微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角，也就是说还存在与所述第一微透镜单元相邻微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₂、θ₁₃均大于第一微透镜第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₁的情形。

进一步的，当选择投影屏幕边缘处的微透镜单元作为第一微透镜单元时，与第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角和第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的大小关系也满足前述情形。

也就是说，本发明实施例通过控制第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角、和与第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的关系，来直接控制投影光线的传输方向，从而补偿第一微透镜单元两边投影光线的传输范围，相比于现有技术中整个投影屏幕需要在微透镜单元的基础上，结合散射层以及其它微结构层来对光能量进行分布，本发明不需要散射层以及其它微结构层，就实现光能量在投影屏幕上精确的均匀分布并扩展分布范围，即本发明实施例通过第一微透镜单元的第一斜面、相邻的微透镜单元的第一斜面倾斜角度的控制，减少了投影屏幕多层结构对光能的浪费，实现光能量的均匀分布，提升光能利用率。本发明中选择任意微透镜单元作为第一微透镜单元，也就是说，第一微透镜单元的位置关系是不固定的，具有任意性，随机选择一条微透镜单元作为第一微透镜单元后，与第一微透镜单元相邻的微透镜单元随之确定，则相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角、第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角两者的大小关系也相应确定下来，也就是说任意选择一条微透镜单元作为第一微透镜都满足“所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角，或者所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角”的关系。

进一步的，本发明实施例如果只通过控制第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角、和第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的关系，来直接控制投影光线的传输方向，即本发明实施例如果只折射投影光线，该技术方案可以应用到背投影屏幕上，即发出投影光线的投影装置和观众位于投影屏幕的两侧；在用于控制光线补偿的第一斜面1031上制作反射材料形成反射层，对投影光线进行反射成像，此技术方案可以应用到正投影屏幕上，即发出投影光线的投影装置和观众位于投影屏幕的同一侧。

进一步的，如图1所示，所述微透镜单元103还包括可用作脱模面的第二斜面1032，第二斜面1032作为一种脱模面，使得在利用模具制作微透镜单元时脱模更加容易，制作微透镜单元的难度降低。

进一步的，如图2中a图所示，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列，D为投影屏幕下边边缘中点，结合图1所示，第一微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角为θ₁₁，与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角分别为θ₁₂、θ₁₃，θ₁₁的夹角满足下述关系公式：

；

其中，n为所述第一微透镜单元材料折射率；

r为所述第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离，单位为毫米；

s为常数，取值为150～5000，单位为毫米；

d与投影屏幕显示尺寸正相关，单位为毫米。

上述关系公式精确的拟合出第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角和第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离之间的变化关系，第一微透镜单元按照上述关系公式进行具体的设计，使得微透镜单元对投影光线的传输达到设计要求，也就是说任意选定的第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角均满足上述关系公式。第一微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角θ₁₁主要取决于第一微透镜单元的选择，当选取距离投影屏幕下边边缘中点最远的微透镜为第一微透镜单元时，第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中心的距离取决于投影屏幕尺寸的大小，第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离r作为唯一的变量， 在选取制作微透镜单元的原料时，微透镜单元的材料折射率n也就随之确定了，s在一定的取值范围内，为了更为精确的确定第一微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角θ₁₁，在选取制作微透镜单元的原料时，控制微透镜单元的材料折射率在1.4～1.7；作为一种更优的选择，选取制作微透镜单元的原料时，控制微透镜单元的材料折射率在1.48～1.58，使得第一微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角θ₁₁控制在更小的可变范围内。

更进一步的，上述关系公式中d与投影屏幕显示尺寸正相关，假设投影屏幕的显示尺寸为D，单位为英寸，为了便于d（单位为毫米）与投影屏幕的显示尺寸的关系计算，需要进行单位的转换：1英寸=25.4毫米，那么d与投影屏幕显示尺寸D的关系如下：

；

其中，D为投影屏幕显示尺寸，单位为英寸；

β为常数，取值为0.6～12。

根据以上关系公式可以计算出：当制作的投影屏幕的显示尺寸为80英寸时，d=25.4×80×β=2032β，即d取值为1219.2～24384mm；当制作的投影屏幕的显示尺寸为100英寸时，d=25.4×100×β=2540β，即d取值为1524～30480mm；当投影屏幕的显示尺寸为120英寸时，d=25.4×120×β=3048β，即d取值为1828.8～36576mm；可以看出，当投影屏幕的尺寸确定后，其相应的显示尺寸也确定下来， 进而d的取值确定在一定范围内。

更进一步的，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列，结合图1所示，取任意微透镜单元（选择的微透镜单元不在投影屏幕的最边缘处）作为第一微透镜单元，在所述第一微透镜单元即所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₁确定后，与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₂、θ₁₃也随之确定，θ₁₂、θ₁₃和θ₁₁的夹角关系满足下述关系公式：

；

；

其中，α、γ为常数，0＜α≤5°，0＜γ≤5°。

也就是说，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列时，首先精确拟合出第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角与第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离之间的变化关系，第一微透镜单元按照关系公式进行具体设计，再根据上述关系公式确定相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的范围α、γ，α或者γ是对第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的补偿即α或者γ是对夹角

的补偿夹角，直接通过补偿角度来调节投影光线的传输方向和范围是非常敏感的，当α和γ取值相同时，其补偿角度可以达到α或γ的两倍，比如分别取α和γ为5°，则一条相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围可以达到10°，两条相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围总和可以达到20°，这相对于现有技术的投影屏幕投影光线出射范围最大40°来说，投影光线的传输补偿范围提升了50%，效果非常明显。另外，需要控制观看者需求的观影范围最大在60°以内，因此补偿角度不易过大，避免浪费投影光线。

作为另一种可能，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列，取任意微透镜单元（选择的微透镜单元不在投影屏幕的最边缘处）作为第一微透镜单元，在所述第一微透镜单元即所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₁确定后，与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₂、θ₁₃也随之确定，θ₁₂、θ₁₃和θ₁₁的夹角关系满足下述关系公式：

；

；

其中，α、γ为常数，0＜α≤5°，0＜γ≤5°。

也就是说，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列时，在精确拟合出第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角与第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离之间的变化关系后，再根据上述关系公式确定相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的范围α、γ，α或者γ是对第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的补偿，比如α和γ分别取5°，则一条相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围可以达到10°，两条相邻的微透镜单元所获得的对投影光线的补偿范围总和可以达到20°，这相对于现有技术的投影屏幕投影光线出射范围最大40°来说，投影光线的传输补偿范围提升了50%。

作为进一步的补充说明，若干所述微透镜单元在投影屏幕平面还可以呈现除直线形以外的其他形式的非同心圆环状排列，比如微透镜单元排列方式具体可以呈椭圆形、抛物线形或其它高阶曲线等，可以根据对投影光线的传输要求来具体设置微透镜单元的排布，当选取任意微透镜单元作为第一微透镜单元时，第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角和第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离之间的变化关系也符合若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列时的关系公式，其关系公式中第一微透镜单元材料折射率n、常数s、d的取值范围以及优化选择也遵循若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列时的取值。

进一步的，如图2中b图所示，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈同心圆弧状排列，O为同心圆圆心，r为第一微透镜单元的半径，结合图1所示，第一微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角为θ₁₁，与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角分别为θ₁₂、θ₁₃，θ₁₁的夹角满足下述关系公式：

；

其中，n为所述第一微透镜单元材料折射率；

r为所述第一微透镜单元的半径，单位为毫米；

s为常数，取值为150～5000，单位为毫米；

d与投影屏幕显示尺寸有关，单位为毫米。

上述关系公式实施方便，计算清楚，能精确的拟合出第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角和第一微透镜单元的半径之间的变化关系，第一微透镜单元按照上述关系公式进行具体的设计，使得微透镜单元对投影光线的传输达到设计要求，也就是说任意选择的第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足上述关系公式，当第一微透镜单元确定后，第一微透镜单元的半径也随之确定，第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角两者的关系也相应确定下来。若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈同心圆弧状排列时，第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角、与第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏屏幕平面的夹角大小关系范围与若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈现非同心圆环排列时一致。上述关系公式中d仍与投影屏幕显示尺寸D正相关，d与投影屏幕显示尺寸D的关系公式以及涉及到的常数β取值范围也遵循若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面呈直线形排列时。

进一步的，如图3所示，为本发明实施例的投影屏幕上微透镜单元对投影光线的控制示意图；结合图1，所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元起到对光线控制补偿的作用，和所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角θ₁₂、θ₁₃同时小于夹角θ₁₁，θ₁₁的计算公式和θ₁₂、θ₁₃与θ₁₁的大小关系也满足前述关系公式，具体关系公式在前述进行了详细描述。以第一微透镜单元对投影装置Y发出的投影光线反射后的出射光线方向为基准方向，夹角θ₁₂对应的微透镜单元对投影光线反射后的出射光线方向与基准方向的夹角为θ₂；夹角θ₁₃对应的微透镜单元对投影光线反射后的出射光线方向与基准方向的夹角为θ₁；其夹角θ₂和夹角θ₁之和就是对第一微透镜单元光线控制补偿后投影光线的传输范围，明显的通过相邻的微透镜单元的补偿作用，经投影屏幕出射的投影光线的传输范围获得显著增加，通过精确计算可以任意的、准确的控制补偿角度，也就准确的控制了投影屏幕对投影光线的传输范围，不需要再通过其它结构层来对投影光线进行扩散，对于提升投影屏幕的光能利用率，能量分布均匀性都有极好的效果，还简化了投影屏幕结构，降低了投影屏幕制作难度，节省了投影屏幕加工成本。

作为另一种可能，当θ₁₂和θ₁₃同时大于夹角θ₁₁时，θ₁₁的计算公式和θ₁₂、θ₁₃与θ₁₁的大小关系也满足前述关系公式，具体关系公式在前述进行详细描述，通过相邻的微透镜单元对投影光线的补偿作用也具有同样的效果，与前述的原理相同。

如图4所示为现有技术投影屏幕光强分布和本发明的投影屏幕光强分布对比图。图4中a图为现有技术投影屏幕对光强的分布图，图中纵轴E表示光能量强度，横轴表示成像点到投影屏幕中心点的距离，从曲线可以看出，现有技术的投影屏幕对光能量的分布呈现中间强，距离投影屏幕中心点越远的位置光能量强度越弱，亮度的分布范围很窄；这是由于现有技术的投影屏幕上的微透镜单元结构的变化规律是一致的，因此只能实现一种能量分布，只能通过增加扩散层或柱状透镜层等来二次微调能量分布范围，但是没有经过自身的直接调节，这些二次调节方式带来的能量分布效果是非常弱的。图4中b图为本发明实施例的投影屏幕对光强的分布图，图中纵轴E表示光能量强度，横轴表示成像点到投影屏幕中心点的距离，曲线2表示投影屏幕上第一微透镜单元对光强的分布，曲线1、3分别表示与第一微透镜单元相邻的两条微透镜单元对光强的分布，曲线4表示最终投影屏幕对光强的分布；可以看出，经过曲线1和曲线3对曲线2的光强补偿叠加之后，不仅增强了投影屏幕中间的亮度，还增大了投影屏幕的亮度范围，其关键在于：直接通过微透镜单元补偿形成的光学透镜层相当于光学透镜层内部的自身调节，进行光能量的分布效果是非常明显的，从而呈现在投影屏幕上亮度更高、均匀性更好，可以看出本发明实施例的投影屏幕能够有效提升光学利用率和能量分布均匀性；此处只列举3组微透镜单元的情形，投影屏幕还可以设置更多的微透镜单元，其对投影光线能量的分布仍然满足各组微透镜单元的能量分布叠加。

进一步的，如图5所示为本发明实施例的投影屏幕的两种断面结构示意图，如图5中a图所示，投影屏幕包括基材层101和粘附在基材层101一侧的光学透镜层102，也就是说基材层101和光学透镜层102分别为独立的一层，基材层101主要起基础支撑的作用，光学透镜层102用于控制投影光线传输方向，光学透镜层102包括在投影屏幕的平面同向排列的截面呈锯齿状的若干微透镜单元；如图5中b图所示，与图5中a图的区别在于，投影屏幕包括一体成型的基材层101和光学透镜层102，即基材层101和光学透镜层102是融为一体的，作为一个整体，两者是不可分割的。

作为进一步的补充说明，基材层101可以由包括但不限于以下的材料构成，如聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚氯乙烯，酪蛋白磷酸肽，双轴向聚丙烯，聚碳酸酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯弹性体等柔性塑料或橡胶材料，或者玻璃、亚克力、陶瓷等有一定刚性的透明基板。

作为进一步地补充说明，光学透镜层102的材料包括但不限于是射线固化树脂，热固化树脂，反应型固化树脂，使用上述原材料制作光学透镜层102的方式如下：用制作有微透镜的辊筒模具，将原材料转印涂布到基底材料上即形成光学透镜层；或者用制作有微透镜的辊筒模具，通过热压方式将基材层与光学透镜层融合为一层。

如图6所示为本发明实施例的投影屏幕的另一种断面结构示意图，设置基材层101远离光学透镜层102的表面为粗糙面104，在基材层101的内部设置能够吸收不需要的光线比如环境光线的吸光材料，选择性透过需要的光线，起到滤光调色的效果；在微透镜单元103的第一斜面上设置有微结构105，微结构105可以对投影光线在投影屏幕的水平方向和竖直方向上形成不同的扩散角度。粗糙面104可以是在基材层101的表面经过粗糙化处理直接形成的，粗糙化处理的方式包括喷砂处理或模具表面粗糙化处理后，用胶水转印形成结构或者喷涂含有扩散粒子的胶水形成。粗糙面可以进一步的对投影光线进行扩散，起到匀光、增大视角、硬化保护和成像显示的效果。吸光材料包括但不限于各种颜料、染料或者炭黑、黑色氧化铁等，主要起到滤光调色的作用。微结构105可以是多个柱面镜阵列形成的，也可以是椭球状突起阵列形成的，还可以是其它能够实现各项异性光扩散的结构形状。

作为进一步的补充说明，基材层101内还可以设置包含扩散粒子的光扩散材料，以增强光线在投影屏幕内部的散射角度，使投影屏幕亮度显示更加均匀。

作为进一步的补充说明，粗糙面104还可以制作有微细结构，该微细结构用于增大投影屏幕的扩散角度，使得投影屏幕水平方向的扩散角度大于投影屏幕竖直方向的扩散角度，或者增强投影屏幕一些亮度过高区域的扩散能力，降低亮度过高区域的亮度，提高投影屏幕的亮度均匀性。

作为一种补充说明，当基材层101远离光学透镜层102的表面为光滑面时，可以在光滑面上设置减反射材料，比如镀制由高低折射率材料组成的减反射膜，用于减少斜入射的投影光线的反射损失，增强投影屏幕的显示亮度，获得超高清晰的图像；还可以是在光滑面上设置有水平扩散角度大于竖直扩散角度的微结构，使得投影屏幕的水平视角更大，可以获得更大水平观看视场；还可以在光滑面上设置扩散角度各向异性的微结构，即微结构在各个方向上对光线的扩散能力不同，可根据投影屏幕上不同位置亮度的不同进行相应的设置，在投影屏幕亮度高的位置微结构的扩散角度大以降低亮度，亮度低的位置微结构的扩散角度小以保证亮度不降低，提高投影屏幕的显示亮度均匀性、增大有效观看视角。

如图7所示为本发明实施例的投影屏幕的观看视角示意图，结合图7中A图和B图，定义投影屏幕的水平观看视角α_平和竖直观看视角α_竖，以观看者正对投影屏幕中心点位置为基准，投影屏幕中心点位置获得的能量为E，在投影屏幕水平方向上投影屏幕中心点左右两侧某一位置获得的能量为E/2，此时投影屏幕中心点左右两侧位置与投影屏幕中心法线的夹角之和为投影屏幕的水平观看视角α_平；在投影屏幕竖直方向上投影屏幕中心点上下两侧某位置获得的能量为E/2，此时投影屏幕中心点上下两侧位置与投影屏幕中心法线的夹角之和为投影屏幕的竖直观看夹角α_竖；记投影屏幕中心点位置获得的能量为E，测量出在投影屏幕水平方向上投影屏幕中心点左侧某一位置获得的能量为E/2时该位置与投影屏幕中心法线的夹角为a₁，测量出在投影屏幕水平方向上投影屏幕中心点右侧某一位置获得的能量为E/2时该位置与投影屏幕中心法线的夹角为a₂，那么投影屏幕的水平观看视角α_平等于a₁和a₂的和；同样的，测量出在投影屏幕竖直方向上投影屏幕中心点上方某一位置获得的能量为E/2时该位置与投影屏幕中心法线的夹角为a₁，测量出在投影屏幕竖直方向上投影屏幕中心点下方某一位置获得的能量为E/2时该位置与投影屏幕中心法线的夹角为a₂，那么投影屏幕的竖直观看夹角α_竖等于a₁和a₂的和；本发明实施例的投影屏幕的水平观看视角α_平大于20°，竖直观看视角α_竖小于20°。

如图8所示为本发明实施例的投影屏幕上光学透镜层的断面测试示意图，在测试时，首先从投影屏幕的光学透镜层中截取一段长度2厘米的样品，随后将样品的断面朝上放置在显微镜载物台上，调节显微镜放大倍数，直至样品断面的齿形形状清晰可见，再通过显微镜的角度标定功能对样品上微透镜单元103的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角进行标定；从样品的左端起至最右端，微透镜单元103的第一斜面与投影屏幕平面的夹角呈现出θ_小、θ_大、θ_小、θ_大、θ_小、θ_大.......的变化趋势；从样品的右端起至最左端，微透镜单元103的第一斜面与投影屏幕平面的夹角呈现出θ_大、θ_小、θ_大、θ_小、θ_大.、θ_小.....的变化趋势；具体的，此处的θ_小是指该处微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角小于相邻微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角，θ_大是指该处微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角大于相邻的微透镜单元的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角。

作为进一步的补充说明，图8中微透镜单元103的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角的变化趋势只是属于本发明实施例中的一种情形，具体的，微透镜单元103的第一斜面1031与投影屏幕平面的夹角是从θ_大开始到θ_大或者θ_小结束，还是从θ_小开始到θ_小或θ_大结束，其与样品在光学透镜层中取样位置、取样长度是有关的，即无论是从样品的左端还是右端起观察，起始微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角是θ_大还是θ_小，由取样位置、取样长度决定，并不是恒定的，但是整个样品中微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角的变化规律是恒定的，即当起始微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角时，呈现出θ_小、θ_大、θ_小、θ_大.、θ_小、θ_大.....的变化趋势，当起始微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角时，呈现出θ_大、θ_小、θ_大、θ_小、θ_大.、θ_小.....的变化趋势。

如图9所示为本发明的一种投影屏幕实施例的断面示意图，投影屏幕包括依次层叠设置的基材层101和光学透镜层102，基材层101远离光学透镜层102的一侧表面设置有粗糙面，光学透镜层102包括在投影屏幕的平面同向排列的截面呈锯齿状的若干微透镜单元103，在微透镜单元103的第一斜面1031上设置有反射层106。反射层106具有镜面反射或者漫反射功能，即反射层106可以是镜面反射层，还可以是漫反射层，无论是镜面反射层还是漫反射层均能够反射光，其区别在于：镜面反射层的表面光滑像镜面，反射光与入射光满足光学反射定理，能清晰成像，一般可以使用电镀方式制作形成；漫反射层的表面略粗糙，反射光往各个方向传输，没有规律，不能清晰成像，一般使用印刷、喷镀等方式制作形成。

作为进一步的补充说明，可以设置反射层106具有一定的透光性，使得进入投影屏幕内部的环境光能够透过反射层，使环境光不被反射到观看区域；还可以在反射层106中加入能够反射红绿蓝三色光、吸收/透过其它颜色可见光的颜料或者染料，以吸收更多的环境光；此两种方式都有效提升投影屏幕的对比度。

作为进一步的补充说明，基材层和光学透镜层之间还可以设置结构层，在结构层内部设置吸光材料和扩散粒子，或者在结构层内部设置吸光材料和扩散微结构，或者在结构层内部设置吸光材料、扩散粒子和扩散微结构，以进一步提升投影屏幕的对比度。

进一步的，基材层101与光学透镜层102之间还可以设置扩散层和着色层，其中，扩散层和着色层可以是相互独立的，层与层之间相互独立，排列位置可以互换；扩散层和着色层还可以是融为一体的，即扩散层和着色层作为一个整体层，即具有着色层的功能，又具有扩散层的功能。

作为进一步的补充说明，扩散层内可以设置扩散粒子和树脂材料，扩散粒子可以均匀分布在扩散层内，也可以杂乱无章的分布在扩散层内，扩散粒子能够使得经过扩散层内部的光线发生散射，为了使得经过扩散层内部的光线散射更均匀，光强分布更均匀，优选扩散粒子均匀分布在扩散层内的设置方式。扩散粒子包括但不限于二氧化硅粒子、三氧化二铝粒子、氧化钛粒子、氧化铈粒子、氧化锆粒子、氧化钽粒子、氧化锌粒子、氟化镁粒子等，它们的粒径优选5nm~200nm。

作为进一步的补充说明，扩散层可以设置成单层弧形柱状微透镜结构，或者多层弧形柱状微透镜结构，通过弧形柱状微透镜的弧形面对光线进行扩散，以增大投影屏幕的观看视场和改善显示亮度均匀性。

作为进一步的补充说明，着色层内部可以设置吸光材料和树脂材料，吸光材料能够吸收不需要的光线比如环境光，选择性透过需要的光线，起到滤光调色的作用，吸光材料包括但不限于各种颜料、染料或者炭黑、黑色氧化铁等。

进一步的，本发明实施例的投影屏幕还可以在反射层106远离光学透镜层102的一侧设置黑色背板，黑色背板可以通过双面胶或者EVA热熔胶与反射层精密贴合在一起，以作为基板，为投影屏幕提供支撑，保护投影屏幕，为后续安装提供便利；还可以在黑色背板的表面上设置黑色涂料，吸收入射到黑色背板上不必要的光线比如环境光，适当提高投影屏幕的对比度；还可以在黑色背板远离反射层的一侧设置挂件，挂件可以通过双面胶粘贴或者螺钉固定的方式固定在黑色背板相应的位置上，为后续的安装提供便利；还可以将使用磁吸材料替代挂件，以便通过磁性吸附方式将投影屏幕安装在墙面上，保持墙面的美观。

进一步的，本发明实施例的投影屏幕四周还可以设置装饰边框，在投影屏幕厚度方向上包裹投影屏幕的各层结构，以起到固定、美化投影屏幕的外观，分割形成投影显示区域的作用。

如图10所示为本发明实施例投影屏幕构成的投影系统的示意图，投影系统20包括投影屏幕10和向投影屏幕投射投影光线的投影装置Y，投影装置屏幕10包括反射层，是正投投影屏幕，投影装置Y发出投影光线G经过投影屏幕10上的各层结构，通过投影屏幕上的微透镜单元的补偿作用后，有效调节投影屏幕上的能量分布，实现光能量在投影屏幕上精确地均匀分布并扩展分布范围，有效提升了光能利用率和能量分布均匀性，降低了对投影装置Y投影光线G强度的要求，即对投影装置Y的技术要求相应的降低了，与投影屏幕10相匹配的投影装置Y制作难度降低、制作成本减少，进而在保证整个投影系统投影显示均匀性的前提下，降低了整个投影系统技术难度，并减少了整个投影系统的成本。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种投影屏幕，其特征在于，投影屏幕上设置有用于控制投影光线传输方向的光学透镜层，所述光学透镜层包括在投影屏幕平面同向排列的截面呈锯齿状的若干微透镜单元，所述微透镜单元包括用于控制光线补偿的第一斜面；选择任意所述微透镜单元为第一微透镜单元，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角，或者所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小于与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角。

2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角比与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角大不超过5°。

3.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角比与所述第一微透镜单元相邻的微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角小不超过5°。

4.根据权利要求1至3任一所述的投影屏幕，其特征在于，若干所述微透镜单元在投影屏幕的平面上呈同心圆环状排列，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足下述关系公式：

；

其中，n为第一微透镜单元材料折射率；

r为所述第一微透镜单元的半径，单位为毫米；

s为常数，取值为150～5000，单位为毫米；

d与投影屏幕显示尺寸正相关，单位为毫米。

5.根据权利要求1至3任一所述的投影屏幕，其特征在于，若干所述微透镜单元在投影屏幕平面上呈非同心圆环状排列，所述第一微透镜单元的第一斜面与投影屏幕平面的夹角满足下述关系公式：

；

其中，n为第一微透镜单元材料折射率；

r为所述第一微透镜单元到投影屏幕下边边缘中点的距离，单位为毫米；

s为常数，取值为150～5000，单位为毫米；

d与投影屏幕显示尺寸正相关，单位为毫米。

6.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，还包括与所述光学透镜层相邻的基材层，设置所述基材层远离所述光学透镜层一侧表面为粗糙面。

7.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，还包括设置在所述微透镜单元的第一斜面上的对投影光线在投影屏幕水平方向和竖直方向形成不同扩散角度的微结构。

8.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，还包括设置在所述微透镜单元的第一斜面上的反射层。

9.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕的水平观看视角大于20°，竖直观看视角小于20°。

10.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的投影屏幕以及向投影屏幕投射投影光线的投影装置。

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