CN216956415U

CN216956415U - 菲涅尔光学器件、菲涅尔屏幕和显示设备

Info

Publication number: CN216956415U
Application number: CN202220098401.5U
Authority: CN
Inventors: 王霖; 张红秀; 王杰; 李屹
Original assignee: Appotronics Corp Ltd
Current assignee: Shenzhen Appotronics Corp Ltd
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2032-01-14

Abstract

本申请提供一种菲涅尔光学器件、菲涅尔屏幕和显示设备。菲涅尔光学器件包括基材层以及透镜层，基材层包括相背的第一表面和第二表面。透镜层设置在第一表面，透镜层包括多个微棱镜单元，多个微棱镜单元同心排列形成菲涅尔透镜结构，每个微棱镜单元均包括相连的第一透光面和第二透光面，第一透光面与第二透光面的相连处位于基材层外，第一透光面与第一表面的夹角为α₁，第二透光面与第一表面的夹角为α₂，α₂大于α₁，α₁＝‑3.197e^‑12×r⁴+1.611e^‑8×r³‑3.167e^‑5×r²+0.03367×r+4.556+α₀，r为第一透光面与菲涅尔透镜结构的圆心的距离，‑3度≤α₀≤3度，使得菲涅尔光学器件可以更好地适配超短焦镜头，保证菲涅尔光学器件具有良好的亮度均匀性、高增益和抗环境光的特点。

Description

菲涅尔光学器件、菲涅尔屏幕和显示设备

技术领域

本申请涉及投影技术领域，具体而言，涉及一种菲涅尔光学器件、菲涅尔屏幕和显示设备。

背景技术

屏幕的增益和均匀性是屏幕的重要参数，屏幕的增益代表在不同区域观看的亮度等级，屏幕的增益越高，亮度体验越好。均匀性是衡量在水平方向上不同观看位置处的亮度差异大小，均匀性越好，观影体验越佳。

然而，现有的菲涅尔屏幕已经不再满足亮度均匀性和增益的要求，需要重新设计适配的菲涅尔角度分布。

实用新型内容

本申请实施方式提出了一种菲涅尔光学器件、菲涅尔屏幕和显示设备，以解决上述技术问题。

本申请实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。

第一方面，本申请实施方式提供一种菲涅尔光学器件，菲涅尔光学器件包括基材层以及透镜层，基材层包括相背的第一表面和第二表面。透镜层设置在第一表面，透镜层包括多个微棱镜单元，多个微棱镜单元同心排列形成菲涅尔透镜结构，每个微棱镜单元均包括相连的第一透光面和第二透光面，第一透光面与第二透光面的相连处位于基材层外，第一透光面与第一表面的夹角为α₁，第二透光面与第一表面的夹角为α₂，α₂大于α₁，α₁＝-3.197e^-12×r⁴+1.611e^-8×r³-3.167e^-5×r²+0.03367×r+4.556+α₀，r为第一透光面与菲涅尔透镜结构的圆心的距离，-3度≤α₀≤3度。

在一些实施方式中，多个微棱镜单元排列的节距大于或等于100微米且小于或等于200微米。

在一些实施方式中，菲涅尔透镜结构的圆心位于基材层外且位于菲涅尔光学器件的中轴线。

在一些实施方式中，任意相邻两个微棱镜单元的第一透光面在菲涅尔光学器件的正投影方向上的间距为零。

在一些实施方式中，菲涅尔光学器件还包括反射层，反射层设置于透镜层，菲涅尔光学器件用于接收光线，以使光线从第二透光面入射后经位于第一透光面的反射层反射，再经由第一表面从第二表面出射。

在一些实施方式中，菲涅尔光学器件还包括扩散层，扩散层设置于第二表面。

在一些实施方式中，菲涅尔光学器件还设置有环境杂光吸收层。

在一些实施方式中，菲涅尔光学器件还设置有折射层，折射层的折射率大于透镜层的折射率。

第二方面，本申请实施方式还提供一种菲涅尔屏幕，菲涅尔屏幕包括载体和上述任一实施方式的菲涅尔光学器件，菲涅尔光学器件设置于载体。

第三方面，本申请实施方式还提供一种显示设备，显示设备包括光源和上述任一实施方式的菲涅尔屏幕，菲涅尔屏幕用于接收光源发出的光线。

本申请实施方式提供的菲涅尔光学器件、菲涅尔屏幕和显示设备中，菲涅尔光学器件的透镜层设置在基材层的第一表面，透镜层的多个微棱镜单元同心排列形成菲涅尔透镜结构，每个微棱镜单元均包括相连的第一透光面和第二透光面，第一透光面与第二透光面的相连处位于基材层外，第一透光面与第一表面的夹角为α₁，第二透光面与第一表面的夹角为α₂，α₂大于α₁，由于α₁＝-3.197e^-12×r⁴+1.611e^-8×r³-3.167e^-5×r²+0.03367×r+4.556+α₀，r为第一透光面与菲涅尔透镜结构的圆心的距离，-3度≤α₀≤3度。如此，本申请设计了新的菲涅尔角度分布，使得菲涅尔光学器件可以更好地适配超短焦镜头，保证菲涅尔光学器件具有良好的亮度均匀性、高增益和抗环境光的特点，在菲涅尔光学器件应用于激光电视等显示设备的情况下，能够提升显示设备的亮度均匀性，提升显示设备的亮度增益，同时亦有效地减少模具的加工时间和加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域技术人员来讲，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。

图1示例出本申请实施方式提供的菲涅尔光学器件的截面示意图。

图2示例出图1的菲涅尔光学器件的正投影的结构示意图。

图3示例出图1的菲涅尔光学器件的角度分布曲线于现有技术角度分布曲线的对比示意图。

图4示例出图1的菲涅尔光学器件的角度极限分布曲线于现有技术角度极限分布曲线的对比示意图。

图5示例出本申请另一实施方式提供的菲涅尔光学器件的截面示意图。

图6示例出本申请再一实施方式提供的菲涅尔光学器件的截面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域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方式，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，本申请实施方式提供一种菲涅尔光学器件100，菲涅尔光学器件100包括基材层10以及透镜层30，透镜层30设置于基材层10。

基材层10包括第一表面11和第二表面13，第一表面11与第二表面13相背设置。基材层10的截面形状可以是矩形、圆形、椭圆形、菱形、梯形或其他形状，具体的形状可以根据实际需要求行设置。本申请实施方式中以基材层10为矩形为例进行说明。

基材层10可以为柔性基层，例如基材层10可以为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯膜(CPP)、双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、热塑性聚氨酯(TPU)等柔性透光塑料或橡胶薄膜。基材层10也可以为具有一定刚性的基层，例如基材层10可以为玻璃、亚克力、陶瓷等刚性透光基板。基材层10的可见光透过率可以根据实际应用需求进行调整。

透镜层30设置在第一表面11。透镜层30的整体形状、大小等可以与基材层10的形状、大小等相近。透镜层30可以分布于基材层10的整个第一表面11，也可以分布于第一表面11的部分区域。

透镜层30包括多个微棱镜单元31，微棱镜单元31可以在基材层10制作而成，例如微棱镜单元31可以采用热压印和UV树脂光固化成型的方式从母版上转印到基材层10上。本申请中，术语“多个”是指大于或等于两个。

多个微棱镜单元31同心排列形成菲涅尔透镜结构。菲涅尔透镜结构的圆心P可以位于基材层10外且位于菲涅尔光学器件100的中轴线，有助于应用了菲涅尔光学器件100的显示设备可以将光源置于菲涅尔光学器件100的正下方来发出光线。

微棱镜单元31可以为弧形的三棱镜或其他形状。每个微棱镜单元31均包括第一透光面311和第二透光面313，第一透光面311和第二透光面313相连，第一透光面311与第二透光面313的相连处位于基材层10外。

第一透光面311与第一表面11的夹角为α₁，其中，该角度满足以下规律，

α₁＝-3.197e^-12×r⁴+1.611e^-8×r³-3.167e^-5×r²+0.03367×r+

4.556+α₀，

r为第一透光面311与菲涅尔透镜结构的圆心的距离，α₀可以作为制造误差或装配误差进行选定，例如-3度≤α₀≤3度。第二透光面313与第一表面11的夹角为α₂，α₂大于α₁，例如α₂可以为90度。

如图3所示，在α₁不考虑误差(即不考虑α₀)的情况下所形成的角度分布曲线101与现有技术的角度分布曲线102对比可知，本申请的角度分布曲线101显著区别于现有技术的角度分布曲线102，并且在第一透光面311与菲涅尔透镜结构的圆心的距离r大致小于900mm时，本申请的角度分布明显大于现有技术的角度分布；在第一透光面311与菲涅尔透镜结构的圆心的距离r大致大于900mm时，本申请的角度分布明显小于现有技术的角度分布，使得菲涅尔光学器件100的角度变化范围小。

如图4所示，根据本申请α₁形成的极限角度分布曲线与现有技术的极限角度分布曲线对比可知，其中，曲线一101为α₁不考虑误差(即不考虑α0)的情况，曲线二103为α₁的上极限，曲线三105为α₁的下极限；曲线四102为现有技术角度不考虑误差的情况，曲线五104为现有技术角度的上极限，曲线六106为现有技术角度的下极限。由于现有技术的角度分布的误差范围为-5度至5度，而本申请的α₀为大于或等于-3度且小于或等于3度，使得菲涅尔光学器件100的角度误差范围较小。

如表一所示，将本申请的角度分布与现有技术的角度分布进行仿真对比对于不同投射比的光源的适配性。其中，投射比从0.15变化到0.3，并且采用9点均匀性的方法进行评估。具体地，9点均匀性的方法是指在光学表面均匀设置9个点测试光学性能，比如反射率，通过计算平均值的方法得到均匀性大小的评价方法。

表一

从表一的仿真结果上看，现有技术的角度分布在投射比小于0.25后均匀性降低到0.8以下。本申请的角度分布在0.15到0.3的投射比范围内亮度均匀性均高于0.8，同时针对投射比0.2进行了更好的优化，则本申请的的角分布更好地适配了更小投射比的投影机。

因此，本申请设计了新的菲涅尔角度分布，使得菲涅尔光学器件100可以更好地适配超短焦镜头，保证菲涅尔光学器件100具有良好的亮度均匀性、高增益和抗环境光的特点，在菲涅尔光学器件100应用于激光电视等显示设备的情况下，能够提升显示设备的亮度均匀性，提升显示设备的亮度增益，同时亦有效地减少模具的加工时间和加工成本。

多个微棱镜单元31排列的节距D的大小会影响铝粉的排列和反射效果，从而影响到屏幕的环境光遮蔽率和增益，同时也会影响像素的分辨率。

举例地，对于100寸的屏幕，4k分辨率的画面图像像素尺寸为500微米左右，100寸8k分辨率的像素尺寸为250微米左右。为了不影响像素分辨率，多个微棱镜单元31排列的节距需要小于250微米。而在节距小于100微米以下的时候，屏幕的增益和对比度会受到影响。

如表二所示，通过实验测试结果分析，多个微棱镜单元31排列的节距D在大于或等于100微米且小于或等于200微米的范围内时，有效地提高了屏幕的增益和环境光遮蔽率的效果。

表二

节距	增益	环境光遮蔽率
			100微米	1.1	81％
130微米	1.12	81.5％
			150微米	1.15	82.7％
180微米	1.18	83.6％
			200微米	1.22	84.9％

任意相邻两个微棱镜单元31的第一透光面311在菲涅尔光学器件100的正投影方向上的间距为零，有助于避免相邻两个第一透光面311的间距过大而给人眼造成画面不连接的观感。此外，根据不同的设计需要，任意相邻两个微棱镜单元31的第一透光面311在菲涅尔光学器件100的正投影方向上也可以是彼此之间间隔的。

请参阅图5，菲涅尔光学器件100还可以包括反射层50，反射层50可以设置于透镜层30。菲涅尔光学器件100用于接收光线，以使光线从第二透光面313入射后经位于第一透光面311的反射层50反射，再经由第一表面11从第二表面13出射。

反射层50可以通过辊涂或者喷涂的方法制作在透镜层30。反射层50可以通过树脂、溶剂、铝粉、黑色油墨和助剂等材料调配而成。上述材料中的黑色油墨还可以是其他吸光材料如炭黑颗粒，上述材料中铝粉也可以是其他反射性较强的粒子，如云母等。其中，反射层50可以通过调配铝粉和炭黑的比例快速改变自身的反射率。

请参阅图6，菲涅尔光学器件100还可以包括扩散层70，扩散层70可以设置于第二表面13。扩散层70可以将光线进行扩散，使得光线可以更为均匀地出射至菲涅尔光学器件100外。

扩散层70的基材采用的是PET、PC等基材，并在基材的表面通过热压印、UV光固化微结构转印或者涂布的工艺制作而成。扩散层70可以通过光学胶贴合于基材层10；或者，扩散层70可以采用基材层10作为基材，并在基材层10进行制作。

扩散层70可以采用表面扩散光学膜，表面扩散光学膜具有不规则的光学表面微结构，光线经过光学表面的时候被光学微结构散射。扩散层70也可以采用体扩散光学膜，体扩散光学膜的光学涂层为树脂包覆着的扩散粒子，利用微珠扩散粒子对入射光线进行散射，且对光线的吸收很少。

菲涅尔光学器件100还可以设置有环境杂光吸收层，环境杂光吸收层可以用于吸收来自多个方向的环境杂光，以提高显示效果。吸收层的设置位置可以根据实际需求而确定。

菲涅尔光学器件100还可以设置有折射层，折射层的折射率大于透镜层30的折射率，使得光线自透镜层30进入折射层后，折射层可以更大程度地改变光线的传播方向，尽可能地使得光线从菲涅尔光学器件100出射后进入到观众的视场。折射层的设置位置可以根据实际需求而确定。

本申请实施方式还提供一种菲涅尔屏幕，菲涅尔屏幕包括载体和上述任一实施方式的菲涅尔光学器件100。在菲涅尔屏幕作为硬屏使用时，载体可以为铝板，菲涅尔光学器件100可以贴附于载体。在菲涅尔屏幕作为软屏使用时，载体可以为卷筒，菲涅尔光学器件100可以自卷筒展开或收拢于卷筒内。

菲涅尔屏幕可以将光源出射的光线集中汇聚在人眼观察的范围内。菲涅尔屏幕的大小比例可以根据实际应用场景进行调整，例如菲涅尔屏幕可以采用16：9的比例大小，又例如菲涅尔光学器件100可以采用4：3的比例大小或其他比例大小。

本申请实施方式提供的菲涅尔屏幕中，菲涅尔光学器件100的透镜层30设置在基材层10的第一表面11，透镜层30的多个微棱镜单元31同心排列形成菲涅尔透镜结构，每个微棱镜单元31均包括相连的第一透光面311和第二透光面313，第一透光面311与第二透光面313的相连处位于基材层10外，第一透光面311与第一表面11的夹角为α₁，第二透光面313与第一表面11的夹角为α₂，α₂大于α₁，由于α₁＝-3.197e^-12×r⁴+1.611e^-8×r³-3.167e^-5×r²+0.03367×r+4.556+α₀，r为第一透光面311与菲涅尔透镜结构的圆心的距离，-3度≤α0≤3度。如此，本申请设计了新的菲涅尔角度分布，使得菲涅尔光学器件100可以更好地适配超短焦镜头，保证菲涅尔光学器件100具有良好的亮度均匀性、高增益和抗环境光的特点，在菲涅尔光学器件100应用于激光电视等显示设备的情况下，能够提升显示设备的亮度均匀性，提升显示设备的亮度增益，同时亦有效地减少模具的加工时间和加工成本。

本申请实施方式还提供一种显示设备，显示设备可以为影院投影机、工程投影机、微型投影机、教育投影机、拼墙投影机、激光电视等等。显示设备包括光源和上述任一实施方式的菲涅尔屏幕，菲涅尔屏幕用于接收光源发出的光线。

本申请实施方式提供的显示设备中，菲涅尔光学器件100的透镜层30设置在基材层10的第一表面11，透镜层30的多个微棱镜单元31同心排列形成菲涅尔透镜结构，每个微棱镜单元31均包括相连的第一透光面311和第二透光面313，第一透光面311与第二透光面313的相连处位于基材层10外，第一透光面311与第一表面11的夹角为α₁，第二透光面313与第一表面11的夹角为α₂，α₂大于α₁，由于α₁＝-3.197e^-12×r⁴+1.611e^-8×r³-3.167e^-5×r²+0.03367×r+4.556+α₀，r为第一透光面311与菲涅尔透镜结构的圆心的距离，-3度≤α₀≤3度。如此，本申请设计了新的菲涅尔角度分布，使得菲涅尔光学器件100可以更好地适配超短焦镜头，保证菲涅尔光学器件100具有良好的亮度均匀性、高增益和抗环境光的特点，能够提升显示设备的亮度均匀性，提升显示设备的亮度增益，同时亦有效地减少模具的加工时间和加工成本。

在本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为特指或特殊结构。术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种菲涅尔光学器件，其特征在于，包括：

基材层，所述基材层包括相背的第一表面和第二表面；以及

透镜层，所述透镜层设置在所述第一表面，所述透镜层包括多个微棱镜单元，所述多个微棱镜单元同心排列形成菲涅尔透镜结构，每个所述微棱镜单元均包括相连的第一透光面和第二透光面，所述第一透光面与所述第二透光面的相连处位于所述基材层外，所述第一透光面与所述第一表面的夹角为α₁，所述第二透光面与所述第一表面的夹角为α₂，α₂大于α₁，α₁＝-3.197e^-12×r⁴+1.611e^-8×r³-3.167e^-5×r²+0.03367×r+4.556+α₀，r为所述第一透光面与所述菲涅尔透镜结构的圆心的距离，-3度≤α₀≤3度。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，所述多个微棱镜单元排列的节距大于或等于100微米且小于或等于200微米。

3.根据权利要求1所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，所述菲涅尔透镜结构的圆心位于所述基材层外且位于所述菲涅尔光学器件的中轴线。

4.根据权利要求1所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，任意相邻两个所述微棱镜单元的所述第一透光面在所述菲涅尔光学器件的正投影方向上的间距为零。

5.根据权利要求1所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，所述菲涅尔光学器件还包括反射层，所述反射层设置于所述透镜层，所述菲涅尔光学器件用于接收光线，以使光线从所述第二透光面入射后经位于所述第一透光面的所述反射层反射，再经由所述第一表面从所述第二表面出射。

6.根据权利要求1所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，所述菲涅尔光学器件还包括扩散层，所述扩散层设置于所述第二表面。

7.根据权利要求6所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，所述菲涅尔光学器件还设置有环境杂光吸收层。

8.根据权利要求1所述的菲涅尔光学器件，其特征在于，所述菲涅尔光学器件还设置有折射层，所述折射层的折射率大于所述透镜层的折射率。

9.一种菲涅尔屏幕，其特征在于，包括：

载体；以及

权利要求1至8任一项所述的菲涅尔光学器件，所述菲涅尔光学器件设置于所述载体。

10.一种显示设备，其特征在于，包括：

光源；以及

权利要求9所述的菲涅尔屏幕，所述菲涅尔屏幕用于接收所述光源发出的光线。