投影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并且能够适用于长焦投影机和超短焦投影机的多焦段用投影屏幕和使用该投影屏幕的投影系统。

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。

传统的投影机被称为长焦投影机，这种投影机在屏幕上投射出80寸的画面通常需要3米以上的距离，透射光线以很小的入射角入射在屏幕上，因此也被成为直投投影机。由于室内空间有限，长焦投影机往往难以在室内透射出大的投影画面，于是短焦甚至超短焦投影机应运而生。目前市面上的超短焦投影机能够在1米以内的距离透射出80寸以上的画面。由于长焦投影机和超短焦投影机相对于屏幕摆放的距离和位置不同，所以需要具有不同的光学结构的屏幕，导致一块屏幕无法被长焦投影机和超短焦投影机共用，增加了用户的使用成本，降低了空间利用率。

此外，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用于超短焦投影机的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用于超短焦投影机的反射式屏幕，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也是用于超短焦投影机并且具有类似的结构，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的中国专利申请提出了一种用于长焦投影机的反射屏幕。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被长焦投影机和超短焦投影机共用的、抗环境光且加工工艺简单的投影屏幕和投影系统。

根据本发明的实施例，公开了一种投影屏幕，其能够将投影光线反射至观看者的视场范围内，所述投影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投影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第一平面、第二平面、第三平面和第四平面，所述第一平面和所述第二平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜方向不同，所述第三平面和所述第四平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜方向不同，所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和所述第四平面相对于与所述投影屏幕平行的平面的倾斜角被设置为使得：

以第一角度范围内的入射角入射的所述投影光线连续在所述第一平面和所述第二平面处发生全反射，以第二角度范围内的入射角入射的所述投影光线连续在所述第三平面和所述第四平面处发生全反射。

本发明还公开一种投影系统，所述系统包括如上所述的投影屏幕以及投影机。

如上所述，根据本发明的投影屏幕和投影系统至少具有如下优点：

(1)通过巧妙地设置全反射层的微结构，能够使来自超短焦投影机的投影光线和来自长焦投影机的投影光线均能够在微结构中经连续两次全反射而出射，使得一块屏幕能够兼用于超短焦投影机和长焦投影机。

(2)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。

(3)微结构利用全反射的角度选择特性在反射来自投影机的投射光线的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投影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投影屏幕的全反射层的微结构单元的主截面结构示意图。

图6是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的主截面结构以及用于超短焦投影机时的光路的示意图。

图7是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的微结构单元的主截面结构以及用于长焦投影机时的光路的示意图。

图8是示出了环境杂光照射在根据本发明实施例的投影屏幕时的光路示意图。

图9是示出了根据本发明另一实施例的投影屏幕的微结构单元的主截面结构以及用于超短焦投影机和长焦投影机时的光路的示意图。

图10是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的散射薄膜层的示意图。

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。

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，投影系统包括投影屏幕10和投影机20。需要说明的是，在图3中示出的是投影机20为超短焦投影机的示例，但如下文中所述地，投影屏幕10也可以用于长焦投影机。投影屏幕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，也将投影屏幕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经过巧妙设计的光学结构(下文中将详细说明)，使得无论是来自于长焦投影机的投影光线还是来自于超短焦投影机的投影光线在微结构单元中均能够发生全反射，最终被反射至观看者的视场范围内，而来自于投影屏幕10上方的环境杂光无法满足在微结构单元中只发生全反射的条件，因而透过全反射层12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，以使投影屏幕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，但是投影屏幕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投影屏幕的全反射层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。图5示出了两个微结构单元中的微结构层121的棱镜结构的主截面示图。每个棱镜结构的侧面由4个相交平面1241、1243、1244和1242构成。在图5所示的主截面示图中，这4个相交平面被图示为相对于与投影屏幕平行的平面(下文中简称为“屏幕平面”)具有不同倾斜角的4条依次连接的线段1241至1244。其中平面1241和1243，与平面1242和1244相对于屏幕倾斜角度不一。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，平面1241、1243、1244和1244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卷涂布树脂和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。如下文中将要详细说明地，由于超短焦投影机的投影光线入射至投影屏幕的入射角度范围(第一角度范围，例如30度至80度)和长焦投影机的投影光线入射至投影屏幕的入射角度范围(第二角度范围，例如0度至30度)相差较大，所以通过巧妙地设置平面1241、1243、1244和1244的倾斜方向和倾斜角度，能够使来自超短焦投影机的入射光线123(如图5中所示)在两个平面1241和1242处连续发生两次全反射，最终反射到观看者的视场范围内，并且使来自长焦投影机的入射光线123(图5中未示出，请参照图7)能够分别在两个平面1243和1244处发生全反射，最终反射至观看者的视场范围内。即，在微结构层121中，微结构层121与内侧层122之间的界面包括两组平面，一组(1241和1242)用于使来自超短焦投影机的入射光线发生全反射而进入观看者的视场范围内，另一组(1243和1244)用于使来自长焦投影机的入射光线发生全反射而进入观看者的视场范围内。

此外，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。因此，环境杂光127的入射角小于来自超短焦投影机的投影光线的入射角度，但又远大于来自长焦投影机的投影光线的入射角度。因此，环境杂光127无法满足在平面1241和平面1242或者在平面1243和1244上发生连续两次全反射的条件，绝大部分透过了微结构单元被光吸收层11吸收。

如上所述，根据本发明实施例的投影屏幕10利用了全反射层12的角度选择性反射特性，使得屏幕既能够将来自超短焦投影机的投影光线反射至观看者的视场范围内，又能够将来自长焦投影机的投影光线反射至观看者的视场范围内。同时，投影屏幕10还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并简化了加工工艺，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

下面，将参照图6至图8详细说明根据本发明实施例的投影屏幕10的全反射微结构单元的光学原理。其中，图6示出了当投影屏幕10用于超短焦投影机时的光路示例，图7示出了当投影屏幕10用于长焦投影机时的光路示例，图8示出了当环境杂光入射至投影屏幕10时的光路示例。

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4个倾斜的相交平面1241、1242、1243和1244相对于屏幕平面的倾斜角分别为θ1、θ2、θ3和θ4(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。

为了使来自超短焦投影机20的入射光线123在倾斜平面1241和1242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γ为正值，当中间光线偏向观众侧时γ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1241和1242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(6)可知，在超短焦投影的应用中，根据本发明的投影屏幕的微结构单元的两个倾斜平面1241和1242形成的夹角必须为钝角。

另外，由上述分析可知，来自超短焦投影机的入射光线123经过微结构单元的倾斜平面1241的全反射后的中间光线在微结构层121中沿着与屏幕平面平行的方向行进是优选的。

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。

由于微结构单元的一组倾斜平面1241和1242具有如上所述的光学结构，如图6中所示，来自超短焦投影机20的一部分入射光线123在微结构单元的一组倾斜平面1241和1242处发生两次全反射，被反射至观看者的视场范围内；而来自超短焦投影机20的另一部分入射光线123照射在微结构单元的另一组倾斜平面1243和1244上，由于倾斜平面1243和1244不具备上述的光学结构，所以来自超短焦投影机20的入射光线123在倾斜平面1243和1244的至少一者处不满足全反射条件，于是这部分光线透过全反射层，被内侧的光吸收层11吸收。

图7图示了当投影屏幕10用于长焦投影机时的光路示例。当投影屏幕10被用于长焦投影机时，如图7所示，一部分入射光线123在微结构单元的一组倾斜平面1243和1244处发生两次全反射，被反射至观看者的视场范围内。由于长焦投影机的入射光线可以认为是以近似与垂直屏幕平面的角度入射的，所以为了将入射光线反射至观看者的视场范围内，倾斜平面1243和1244相对于屏幕平面的倾斜角需要满足如下关系式：

θ3+θ4＝90(6)

此外，另一部分入射光线123照射在微结构单元的另一组倾斜平面1241和1242上，由于倾斜平面1241和1242的倾斜角不满足关系式(6)，所以来自长焦投影机的入射光线123在倾斜平面1241和1242的至少一者处不满足全反射条件，于是这部分光线透过全反射层，被内侧的光吸收层11吸收。

在微结构单元中，除了相对于屏幕平面的倾斜角度之外，用于全反射来自超短焦投影机的投影光线的平面1241和1242与用于全反射来自长焦投影机的投影光线的平面1243和1244这两组平面的延伸长度的关系也对屏幕的光学性能有着较大的影响。通过实验可知，当平面1243和1244的延伸长度与平面1241、1242、1243和1244的延伸总长度之比(即，在图6至图8的主截面图中，线段1243与线段1244的长度之和与线段1241线段1242、线段1243和线段1244的总长度的比值)应当大于0.2且小于0.8。

与上述情况相对比，图8图示了当环境杂光入射至投影屏幕10时的光路示例。在投影系统的实际使用环境中，环境杂光一般主要来源于天花板或墙壁上方的灯具。因而，环境杂光在投影屏幕上的入射角度要远小于从位于屏幕下方近距离处的超短焦投影机发出的投影光线的入射角。因此，当环境杂光127从天花板一侧入射到投影屏幕上的时候，环境杂光无法满足在平面1241和1242或者在平面1243和1244上连续发生两次全反射的条件，而是透过全反射层被内侧的光吸收层11完全吸收。

另外，在上述的说明中，是以主截面图中从下到上依次设置1241、1243、1244和1242的情况为例进行的说明。然而，由上面的分析可知，四个平面的布置顺序不限于此。例如，如图9所示，也可以将用于对来自长焦投影机的投影光线进行全反射的一组平面(即，1243和1244)设置于外侧，换言之，按照从下到上依次为1243、1241、1242和1244的顺序布置这四个平面。其中，如上所述，平面1243与平面1244的夹角为90度，平面1241和平面1241的夹角为钝角。

此外，如上所述，根据本发明的投影屏幕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，为了使出射光线始终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(6)。或者，也可以在满足上述公式(1)至(6)的前提下，沿着从屏幕中心至屏幕边缘的方向，投影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至θ4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。根据本发明的投影屏幕的微结构层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。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。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(8)

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的反射棱镜的尖端可以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。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，然后光学贴合。可替代地，也可以通过对同一基材(例如，pet)的两个表面进行不同的表面加工，分别形成光散射层和全反射层。

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。