全反射屏幕和投影系统的制作方法

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的高对比度全反射屏幕和使用该屏幕的投影系统。

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。

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。为了提高在存在环境光的情况下的屏幕对比度，目前抗环境光的投影屏幕都采用阵列微结构加光反射层或者光吸收层的方法来实现。

例如，如图1的a和b所示，在公开号为cn105408777a的中国专利申请中提出了一种圆形对称的菲涅尔光学屏幕结构。该屏幕采用的是阵列微结构加上光吸收层的技术方案。该屏幕的阵列微结构由透镜面32和非透镜面33组成。透镜面32与屏幕平面的夹角小于非透镜面33与屏幕平面的夹角，投影机的入射光线只入射到具有小夹角的透镜面32上。入射在透镜面32上的光线是依靠由层叠在其表面上的多个金属薄膜25构成的反射层20反射至观看者侧。虽然该屏幕可以将投影机的入射光线反射到观众的眼睛，但镜面反射层20不可避免地同时也会反射从其它方向入射的光线，比如环境中的杂光，所以无法大幅提高投影屏幕的对比度。为了提高对比度，还需要在阵列微结构的观看者侧添加一层着色层42。着色层42吸收杂光，但也吸收了部分投影光线。因此，虽然提高了屏幕的对比度，但降低了整个投影系统的光学效率，相当于在对比度和光学效率之间进行了折中。目前市场上量产的采用该结构的投影屏幕能够实现的屏幕增益仅为大约0.9～1.1。

在公开号为cn1670618a的中国专利申请中公开了一种反射式屏幕，该反射式屏幕具有如图2的a所示的微结构。该微结构的单元由两个斜面组成，由白色的反射树脂形成的斜面3朝向投影机，用来反射来自投影机的光线，朝上的斜面表面涂敷有黑色的光吸收层4，用来吸收从屏幕上方入射的环境光线。公开号为cn1693989a中国专利申请中公开的屏幕具有类似的结构，如图2的b所示，构成微结构的基底材料是吸收光的材料，在朝下的斜面表面涂敷有白色树脂层6来反射来自投影机的光线。另外，公开号为cn1954260a的中国专利申请也提出了一种反射屏幕。如图2的c所示，光吸收部14和反射层13形成具有等腰梯形截面的微结构，环境光被光吸收部14吸收，投射光线在光吸收部14的表面被全反射，在梯形的窄边底面被反射层13反射。

为了实现提高对比度的目的，在上述屏幕的微结构中均设置用于吸收光和/或反射光的光学功能层。但由于微结构的尺寸非常的小，间距一般在25到250微米的范围内，在微结构表面选择性的涂敷光学功能层的工艺非常复杂，成品率低，而且光学效率不高。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明期望提供一种能够在获得高对比度的同时提高屏幕增益，并且能够简化加工工艺，降低成本的全反射屏幕和投影系统。

根据本发明的实施例，公开了一种全反射屏幕，所述全反射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全反射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的两个相交平面被设置为使得所述投影光线连续在所述两个相交平面处发生全反射。

优选地，各所述微结构单元的所述第一材料层设置成旋转对称的全反射棱镜，所述两个相交平面与所述全反射屏幕的平面的夹角分别为θ1和θ2，且θ1和θ2满足关系：θ1+θ2＜90。

在所述全反射屏幕的平面内连续延伸的各所述微结构单元相对于全反射屏幕的平面的倾斜角的设置可以是相同的，但也可以是不同的。例如，在多个所述微结构单元中，各所述θ1具有不同的角度且各所述θ2均等于45度。或者，在多个所述微结构单元中，各所述θ1具有不同的角度，并且各所述θ2也具有不同的角度。

优选地，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。例如，所述第二材料层是空气层。

优选地，所述光扩散层可以是由体散射薄膜、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，所述光扩散层也可以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。

优选地，各所述微结构单元的所述两个相交平面被设置为使得所述投影光线在发生第一次全反射之后沿着与所述全反射屏幕的平面平行的方向行进。

优选地，旋转对称的多个所述微结构单元的旋转中心轴线垂直于所述全反射屏幕的平面且位于所述全反射屏幕的下方。

根据本发明的另一实施例公开了一种投影系统，所述系统包括如上所述的全反射屏幕以及所述投影机。其中，所述投影机优选是位于所述全反射屏幕下方的超短焦投影机。

如上所述，根据本发明的全反射屏幕和投影系统至少具有如下优点：

(1)微结构利用全反射原理对投影光线进行反射，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，不需要在微结构中涂镀金属反射膜或光吸收层，降低了成本，提高了成品率。

(2)微结构利用全反射的角度选择特性反射来自投影机的至少部分光线，同时却基本不朝观看者的观看区域反射环境杂光。来自顶部的环境杂光大部分透过全反射微结构，被背面的光吸收层吸收，小部分被反射至观看者的观看区域之外，因此在提高投影图像的对比度的同时提高了光学效率。

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是示出了现有技术中的投影屏幕的示例的示意图。

图2是示出了现有技术中的投影屏幕的其它示例的示意图。

图3是示出了根据本发明实施例的投影系统的结构示意图。

图4是示出了根据本发明实施例的的全反射屏幕的全反射层的旋转对称结构的示意图。

图5是示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的全反射层的微结构单元的截面结构示意图。

图6是示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的全反射层的微结构的光学原理的示意图。

图7是示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的微结构的光学倾角的选择示意图。

图8是示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的微结构单元的光学角度的模拟实例。

图9是示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的全反射层和光吸收层的材料折射率的选择范围示意图。

图10是示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的散射薄膜层的示意图。

图11示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的散射分布及屏幕增益的仿真模拟结果。

图12示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的散射分布及屏幕增益的仿真模拟结果。

图13示出了根据本发明的实施例的全反射屏幕的散射分布及屏幕增益的仿真模拟结果。

图14示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的光学对比度的仿真模拟结果。

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，图示出的发光聚集器的多层结构中各层的厚度以及厚度比例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3是示出了根据本发明实施例的投影系统的结构示意图。如图3中所示，投影系统1包括全反射屏幕10和投影机20。全反射屏幕10包括从投影机的投影光线的入射侧依次层叠布置的表面微结构层14、体扩散层13、全反射层12和光吸收层11。来自投影机20的投影光线透过表面微结构层14、体扩散层13入射至全反射层12。在下文中，也将全反射屏幕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形成有微结构单元阵列。每个微结构单元包含两个倾斜平面。这两个倾斜平面的倾斜角度经过精确的设计，使得从屏幕10下方入射的投影光线在两个倾斜面均发生全反射，最终被反射至观看者的视场范围内，而来自于屏幕10上方的环境杂光无法满足在两个倾斜面上均发生全反射的条件，透过全反射层12而被光吸收层11吸收。光吸收层11例如是黑色的。

如图4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20布置在该旋转中心轴线上。

在全反射层12的外侧依次设置有体扩散层13和表面微结构层14。体扩散层13和表面微结构层14可以统称为光扩散层，均用于扩散从全反射层12反射出的准直光束，以使全反射屏幕10具有更大的可视角度。应当理解，虽然图3中图示了同时设置有体扩散层13和表面微结构层14的示例，但是全反射屏幕10可以仅设置有体扩散层13或表面微结构层14。此外，在表面微结构层14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5示出了根据本发明实施例的全反射屏幕的全反射层12的微结构单元的截面结构示意图。所图5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的最靠近光扩散层侧并且与光扩散层接触，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，在全反射层12的每一个微结构单元中，微结构层121被形成为全反射棱镜并且具有两个倾斜的相交表面124和125。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棱镜，相交表面124和125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。图5中为了图示清楚，仅示出了两个微结构单元。来自屏幕下方的投影机的入射光线123在两个倾斜表面124和125出分别发生一次全反射，最终反射到观看者的眼睛方向。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并且环境杂光127的入射角远小于投影光线的入射角度。因此，环境杂光127无法满足在表面124和表面125均发生全反射的条件，绝大部分透过了微结构单元被光吸收层11吸收。由于光吸收层11整体地设置在全反射层12的内侧，所以制造工艺简单，且不会导致投影光线损失。

如上所述，根据本发明实施例的全反射屏幕10利用了全反射层12的角度选择性反射特性，使得屏幕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，高增益的光学特性，同时简化了加工工艺，降低了成本，提高了成品率。

二、全反射微结构单元的光学原理及角度选择

图6图示了根据本发明实施例的全反射屏幕的全反射微结构单元的光学原理。如图6所示，微结构层121的折射率为n1和内侧层122的折射率为n2，微结构单元的两个斜面与屏幕平面(即，垂直方向)的夹角分别为θ1和θ2(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。为了使来自投影机20的入射光线在两个倾斜面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为为正值，当中间光线偏向观众侧时为为负值。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(4)可知，在超短焦投影的应用中，根据本发明的全反射屏幕的微结构单元的两个倾斜面124和125之间的夹角必须为钝角。

图7的a中示出了一种理想的光路情况，其中，入射的投影光线vin经过微结构单元的一个斜面的全反射后的中间光线vmid在微结构层121中沿着与屏幕平面平行的方向行进，vmid经过微结构单元的另一个斜面的全反射之后成为向着观看者方向水平出射的出射光线vout。

在图7的a中所示的情况下，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。。

但在实际应用中，也可能存在如图7的b和c示出了非理想的光路情况。在图7的b中，入射光线vin经微结构单元的第一斜面的全反射后产生了中间光线vmid，但vmid的行进方向不平行于屏幕平面，而是偏向于观看者一侧(此时γ为正值)。因此，部分vmid可能不被第二斜面反射而直接出射，无法充分利用微结构单元的第一斜面。在图7的c中，入射光线vin经微结构单元的第一斜面的全反射后产生了中间光线vmid，但vmid的行进方向不平行于屏幕平面，而是偏向于背向观看者的一侧(此时γ为负值)。因此，无法充分利用微结构单元的第二斜面。

另外，如上所述，根据本发明的全反射屏幕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，图8图示了根据本发明的全反射屏幕的微结构单元的光学角度的模拟实例。图8的a所示的全反射屏幕的焦点位于无穷远处，也即是说，在全反射屏幕的所有微结构单元中，出射光线均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(4)。在图8的b所示的全反射屏幕中，全反射屏幕的焦点不再位于无穷远处。在此情况下，沿着从屏幕的中心至屏幕边缘的方向，全反射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和θ2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。根据本发明的全反射屏幕的微结构层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。图9显示了内侧层122的不同折射率n2对于微结构单元的入射光线的全反射区域的影响。如图9的a所示，入射光线v可以表示成(vx,vy,vz)，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vx和vy的取值范围。vz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(vx,vy)的取值范围随内侧层122的折射率n2的变化趋势。如图9的b所示，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(6)

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的两个斜面的尖端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。在图3所示的示例中，全反射层12的外侧依次设置有体扩散层13和表面微结构层14作为光扩散层。然而，也可以仅设置有一层光扩散层或者不设置光扩散层。图10的a～c分别示出了3种可以用作光扩散层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，可以通过叠加使用体散射薄膜和规则表面微透镜阵列薄膜形成图3中的体扩散层13和表面微结构层14。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，然后通过光学贴合工艺粘接一起。可替代地，也可以通过对同一基材载体(例如，pet)的两个表面进行加工，分别形成光散射层和全反射层。

五、全反射屏幕的性能的仿真结果

图11至图13分别示出了根据本发明的实施例的全反射屏幕的散射分布及屏幕增益的仿真模拟结果。

图11图示了在使用15度的高斯散射薄膜作为光扩散层的情况下全反射屏幕对投影机的光线的反射的仿真模拟。图11的a示出了屏幕反射的投影光线在全视场中的分布，图11的b示出了全反射屏幕的屏幕增益。由图11的a可知，来自投影机的大部分光线都集中在靠近屏幕中心的圆形有效视场区域中；小部分光线因屏幕表面的菲涅尔反射而被反射至天花板的方向。由图11的b可知，在20度增益角的情况下，可以实现峰值增益5.5的水平。图12图示了在使用15度的高斯散射薄膜作为光扩散层的情况下全反射屏幕对环境光线的反射的仿真模拟。仿真结果显示大部分环境光线透过全反射层后被黑色的光吸收层吸收，只有小部分环境光线因屏幕表面的菲涅尔反射而被反射至地面的方向。因而，仅有极少部分的环境光线会进入到观看者的有效视场中，因此不会对投影画面的对比度造成影响。

在实际的应用场景中，观众观看屏幕的水平视角大于垂直视角。因此采用椭圆高斯散射分布的散射薄膜作为光扩散层可以有效的增大反射光束的水平散射分布，从而增加了反射光的利用率。图13的仿真结果显示，采用椭圆的高斯分布散射薄膜的屏幕可以将屏幕的水平视角扩大到35～40度，而垂直视角在20度的范围内，增益的峰值仍然可以高达3～5以上。

图14示出了对根据本发明的全反射屏幕进行的对比度的仿真测试结果。如图14的a所示，将全反射屏幕分成若干区域，并在位于屏幕下方的投影机和位于屏幕上方的客厅顶灯在屏幕上的照度相同的情况下测试其中9个点的对比度。如图14的b所示，仿真结果显示对比度的平均值可以高于60，已经远远超过目前市场上的投影屏幕的水平。在实际使用的情况下，投影机的投影光线在屏幕上的照度会大于环境光的照度。因而，随着投影光线的照度的增大，相对于环境光的对比度还会进一步增大，完全可以满足家庭投影和商业投影对投影画面对比度的需求。

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。