一种反光微结构、投影屏幕和投影系统的制作方法

本实用新型涉及投影技术领域，更具体地说，涉及一种反光微结构、投影屏幕和投影系统。

背景技术：

在投影系统中，由于观众的位置比较固定，因此，人们希望投影系统投射到屏幕上的图像的投影光只反射到观众区域，而不反射到其他无效区域，以提高投影系统的效率，提高观众看到屏幕上图像的亮度。另外，人们希望减少观众观察到屏幕上由杂散光反射而非投影系统图像反射的反射光，以提高投影系统的对比度。

现有技术中公开了一种在屏幕表面增加微结构的方式来满足以上两点要求，但是，这些微结构都是用物理(如喷丸)或化学(如腐蚀)的方法在屏幕表面形成随机的微结构，虽然其通过一定的控制方法，在统计上使其出射光具有一定的出射角度，但是，该种微结构无法控制杂散光不出射到观众区域，使得投影屏幕的对比度较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种反光微结构、投影屏幕和投影系统，以解决现有的微结构无法控制杂散光不出射到观众区域，使得投影屏幕的对比度较低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种反光微结构，包括：

透明结构，所述透明结构包括入光面、反光面以及连接所述入光面和反光面的吸光面；

位于所述吸光面的光吸收结构；

以及，位于所述反光面的反射层；

其中，所述透明结构用于将以预设角度从所述入光面入射的投影光折射至所述反射层，将以其他角度从所述入光面入射的杂散光折射至所述光吸收结构；

所述反射层用于反射所述投影光，以使所述投影光经过所述透明结构二次折射后以一定角度从所述入光面出射；

所述光吸收结构用于吸收所述杂散光。

优选的，所述透明结构包括第一部分以及位于所述第一部分顶部的第二部分；

所述第一部分为剖面为倒立的梯形的结构，所述第二部分为底面为平面、顶面为曲面的结构；并且，所述第二部分的顶面为所述透明结构的所述入光面，所述第一部分的底面为所述透明结构的所述反光面，所述第一部分的侧面为所述透明结构的所述吸光面。

优选的，所述曲面为柱状、弧形或球状的曲面。

优选的，所述经过所述透明结构折射后以一定角度从所述入光面出射的投影光的出射角度由所述第二部分顶面的焦距、所述第一部分顶面与底面之间的距离以及所述第一部分的顶面边长决定的。

优选的，

当f≤2h，且tanα≤d/2h-d/2f时，

当f≤2h，且tanα≥d/2h-d/2f时，

当f≤2h时，

当f＞2h时，

当f＞2h时，

其中，α为进入所述透明结构的投影光的入射角度，β为所述透明结构出射的投影光的第一最大出射角，γ为所述透明结构出射的投影光的第二最大出射角，所述第一最大出射角和所述第二最大出射角为分别位于所述反光微结构法线两侧的最大出射角，d为所述第一部分的顶面边长，h为所述第一部分顶面与底面之间的距离，f为所述第二部分顶面的焦距。

优选的，所述反射层所在平面与所述第一部分的顶面所在平面平行或者具有一定的夹角。

优选的，所述光吸收结构的材质为色硅橡胶或掺杂碳粉的透明材料。

优选的，所述反射层为金属层。

一种投影屏幕，所述投影屏幕的表面具有多个反光微结构，所述反光微结构为如上任一项所述的反光微结构。

优选的，所述多个反光微结构以矩阵排列的方式排布在所述投影屏幕的表面。

一种投影系统，包括投影设备以及设置在所述投影设备投影光路上的投影屏幕，所述投影屏幕为如上任一项所述的投影屏幕。

优选的，所述投影屏幕不同位置处的反光微结构的反射层所在平面与所述投影屏幕所在平面的夹角不同。

与现有技术相比，本实用新型所提供的技术方案具有以下优点：

本实用新型所提供的反光微结构、投影屏幕和投影系统，反光微结构包括透明结构、光吸收结构和反射层，由于反射层能够反射透明结构折射的投影光，并使投影光经过透明结构二次折射后以一定角度出射，因此，应用该反光微结构的投影屏幕能够使投射到屏幕上的图像的投影光只反射到观众区域，使得投影屏幕的亮度和投影系统的效率较高；由于光吸收结构能够吸收透明结构折射的杂散光，因此，解决了现有的反光微结构无法控制杂散光的问题，提高了投影屏幕的对比度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种反光微结构的剖面结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种反光微结构俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种透明结构的示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种透明结构的光路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种透明结构的光路示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种透明结构的示意图；

图7为本实用新型实施例提供的投影屏幕的表面反光微结构的排布示意图；

图8为本实用新型实施例提供的投影系统中投影屏幕、投影设备和观众区域在水平方向上的相位位置关系图；

图9为本实用新型实施例提供的投影系统中投影屏幕、投影设备和观众区域在竖直方向上的相位位置关系图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种反光微结构，主要应用于投影屏幕，用于控制投射到投影屏幕上的投影光的出射角度范围以及吸收投射到投影屏幕上的大部分的杂散光。

如图1和图2所示，该反光微结构包括透明结构101、光吸收结构102以及反射层103。该透明结构101包括入光面101a、反光面101b和连接入光面101a和反光面101b的吸光面101c，其中，光吸收结构102位于透明结构101的吸光面101c，反射层103位于透明结构101的反光面101b。具体地，反射层103不仅位于透明结构101的反光面101b，还位于光吸收结构102的底面。

其中，透明结构101用于将以预设角度从入光面101a入射的投影光λ₀折射至其反光面101b的反射层103，将以其他角度入射的杂散光λ₁折射至其吸光面101c的光吸收结构102；反射层103用于反射透明结构101折射到其上的投影光λ₀，以使投影光λ₀经过透明结构101二次折射后以一定角度从入光面101a出射，也就是说，反射层103会将投影光λ₀反射至透明结构101的入光面101a，投影光λ₀经过入光面101a二次折射后以一定的角度出射，出射光如λ₂；光吸收结构102用于吸收透明结构101折射到其上的杂散光λ₁。

由于投影设备到投影屏幕的距离是固定的，因此，投影设备投射到投影屏幕上的投影光λ₀为平行光且其入射角度即预设角度是固定的，从而可以根据这一入射角度合理设计透明结构101的形状、尺寸等，来使入射的投影光λ₀全部折射会聚到底面的反射层103上，并被反射层103反射和透明结构101二次折射后，以一定的角度出射至观众区域。其中，本实用新型实施例中的投影光λ₀的入射角度是指入射光线与垂直于投影屏幕平面的法线之间的夹角。此外，由于观众区域相对投影屏幕的位置是固定的，因此，投影光λ₀出射到观众区域的角度范围也是固定的，从而也可以根据这一出射角度范围调整透明结构101的形状、尺寸等，以使反光微结构出射的投影光λ₀全部投射到观众区域。

本实施例中，如图3所示，透明结构101包括第一部分1010以及位于第一部分1010顶部的第二部分1011；第一部分1010为剖面为倒立的梯形的结构，即第一部分1010为剖面为梯形的结构，且在其剖面图中，第一部分1010的顶面边长d大于第一部分1010的底面边长d₀。其中，第二部分1011的顶面为透明结构101的入光面101a，第一部分1010的底面为透明结构101的反光面101b，第一部分1010的侧面为透明结构101的吸光面101c。

可选的，第一部分1010包括一个正方形底面、一个正方形顶面和四个侧面，其中，第一部分1010的底面和顶面平行，其中心的垂线为同一条直线，且四个侧面相对于竖直面的倾斜角度均为θ。第二部分1011为底面为平面、顶面为曲面的结构，其中，该曲面的曲率中心在其下方，也就是说，该曲面是向远离第一部分1010的方向凸起。可选的，第二部分1011为一个平面截取一个球体的一小部分后形成的球状结构，也就是说，第二部分1011的顶面可以为球状的曲面，当然，在其他实施例中，第二部分1011的顶面还可以是柱状或弧形曲面等。由于第二部分1011的顶面为曲面，因此，该透明结构101能够很好的将入射的投影光λ₀会聚到反射层103上。

假设入射到透明结构101的投影光λ₀的角度为α，透明结构101出射光的第一最大出射角为β、第二最大出射角为γ，透明结构101的侧面的倾斜角度即侧面与垂直面的夹角为θ，第二部分1011的曲面焦距为f，入射的投影光λ₀经过该曲面聚焦后的虚像A在焦平面上，被反射层103反射后的投影光会聚于点B，会聚于点B的光线经过第二部分1011的曲面向外出射的光线的反向延长线会聚于虚像C。其中，第一最大出射角β和第二最大出射角γ为分别位于反光微结构法线(即投影屏幕平面法线)两侧的最大出射角，也就是说，第一最大出射角β对应的出射光线和第二最大出射角γ对应的出射光线分别位于投影屏幕平面法线的两侧。

根据光线成像的对称原理可得图4所示的光路图。如图4所示：

当f≤2h，且光线1从下方边缘入射，但未从上方边缘出射时，即当f≤2h，且tanα≤d/2h-d/2f时，出射光线如1’，此时，tanγ＝X/Y，其中，X＝EF，Y＝CF。

根据凸透镜成像公式1/u+1/v＝1/f可得：1/(-Y)+1/(2h-f)＝1/f，从而可知Y＝(2h-f)*f/(2f-2h)。

根据成像原理可知，虚像C与投影光会聚点B的连线与O轴的交点必然位于第二部分1011顶面边长的中心点，根据△EBD∽△ELK得知，(EO-f*tanα)/(2h-f)＝(EO+d/2)/2h，而根据△ELK∽△BLI可知，(EO+d/2)/2h＝(f*tanα+d/2)/f，因此，根据(EO-f*tanα)/(2h-f)＝(f*tanα+d/2)/f可得出EO＝2h*tanα+hd/f-d/2；同样，根据△CLN∽△BMN可知，CO/Y＝f*tanα/(2h-f)，将Y＝(2h-f)*f/(2f-2h)代入上式可得出CO＝f²*tanα/(2f-2h)；

基于此，

当f≤2h，且光线1从下方边缘入射，从上方边缘出射时，即当f≤2h，且tanα≥d/2h-d/2f时如出射光线1”，此时，EO＝d/2，

当f≤2h，且光线2从上方边缘入射时，由于C点和B点的位置已经确定，因此，光线2的出射光线2’只会在光轴O和光轴G轴之间出射，如图4所示的出射光线2’，此时，根据△PRQ∽△PFC可知，(PN+d/2)/2h＝(PN+f*tanα)/(2h-f)，根据△PRQ∽△BSQ可知，(PN+d/2)/2h＝(d/2-f*tanα)/f，从而可以根据(PN+d/2)/2h＝(PN+f*tanα)/(2h-f)＝(d/2-f*tanα)/f得出，PN＝hd/f-2h*tanα-d/2；

由于CO＝f²*tanα/(2f-2h)，Y＝(2h-f)*f/(2f-2h)，因此，

其中，CO是指C点到光轴O的垂直距离，EO是指E点到光轴O的垂直距离。

当f>2h时，如图5所示，令h_γ＝FG，h_β＝DG，

根据△BFI∽△BLK可知，

(BJ-IJ)/FI＝BK/LK，BJ＝f*tanα，即：(f*tanα-h_γ)/(f-2h)＝(d/2+f*tanα)/f，得到h_γ＝(hd+2fhtanα-df/2)f² 公式①

又：根据△BDE∽△BNM可得，

DE/BE＝NM/BM＝(DG-EG)/BE＝(NO-BJ)/BM，EG＝BJ＝f*tanα,即：(h_β-f*tanα)/(f-2h)＝(d/2-f*tanα)/f，得到h_β＝d/2-hd/f+2h tanα 公式②

同样，根据凸透镜成像公式1/u+1/v＝1/f可得：1/Y+1/(2h-f)＝1/f，从而可知Y＝(f-2h)*f/(2f-2h)，其中，Y＝CO 式③

又根据从光轴的G点出射的光线GC必然经过B、C点，又可根据相似三角形定理，CP/PG＝BJ/JG，及CP/Y＝f*tanα/(f-2h)，因此，CP＝f²*tanα/(2f-2h)＝QG，式④

tanβ＝QD/CQ，即：tanβ＝(CP-DG)/Y，又h_β＝DG，将式②、③和④带入得到：tanβ＝((f²*tanα/2f-2h)-(d/2-hd/f+2h tanα))/(f-2h)*f/(2f-2h)，

计算得到：

同理：

tanγ＝(QG-FG)/CQ＝(CP-FG)/CQ，又h_γ＝FG，将式①、③和④带入得到：

tanγ＝((f²*tanα/2f-2h)-(hd+2fhtanα-df/2)f²)/(f-2h)*f/(2f-2h)

计算得到：

其中，角度α、β、γ由投影设备、投影屏幕和观众区域的相对关系确定，d是指第一部分1010的顶面边长的尺寸，h是指第一部分1010的顶面与底面之间的距离。

由此可知，经过透明结构101折射后以一定角度出射的投影光的出射角度由第二部分1011顶面的焦距f、第一部分1010的顶面与底面之间的距离h以及第一部分1010的顶面边长d决定。此外，透明结构101的侧面倾斜角度θ可根据实际需要设置角度，以使以预设角度入射的投影光折射至反射层103，以其他角度入射的杂散光折射至光吸收结构102。

在投影光λ₀基本没有损失的情况下，角β的角度值一般较小，但是，在实际应用中，有时会要求角β的角度值较大，此时就会使得实际出射的光线的角γ远远大于实际需求，导致整个投影系统的投影效率较低。基于此，本实用新型一个实施例中，将第一部分1010的底面所在平面设置成与第一部分1010的顶面所在平面之间具有一定夹角的平面，以使第一部分1010底面上的反射层103所在平面与第一部分1010的顶面所在平面之间具有一定夹角，如图6所示，反射层103所在平面与第一部分1010的顶面所在平面之间的夹角为Ф，从而可以通过控制夹角Ф控制出射光的角度β和γ。

进一步地，通过控制透明结构101的侧面倾斜角度θ、第一部分1010的顶面与底面之间的距离h以及第一部分1010的顶面边长d以及反射层103的倾斜角度Ф可以得到更大的设计出射角β和γ的自由度。

进一步需要说明的是，本实施例中的光吸收结构102的材质为色硅橡胶或掺杂碳粉的透明材料，当然，本实用新型并不仅限于此，在其他实施例中，光吸收结构102还可以为其他吸光材料。此外，本实施例中的反射层103为金属层，如铝、银等，当然，本实用新型并不仅限于此，在其他实施例中，反射层103的材质还可以为其他反射率较高的反射材料。

本实施例所提供的反光微结构，包括透明结构、光吸收结构和反射层，由于反射层能够反射透明结构折射的投影光，并使投影光经过透明结构二次折射后以一定角度出射，因此，应用该反光微结构的投影屏幕能够使投射到屏幕上的图像的投影光只反射到观众区域，使得投影屏幕的亮度和投影系统的效率较高；由于光吸收结构能够吸收透明结构折射的杂散光，因此，解决了现有的反光微结构无法控制杂散光的问题，提高了投影屏幕的对比度。

本实用新型实施例还提供了一种投影屏幕，该投影屏幕与现有投影屏幕的结构大体相同，其不同之处在于，本实施例中的投影屏幕的表面具有多个反光微结构，其中，该反光微结构为上述任一实施例提供的反光微结构，在此不再赘述。

其中，多个反光微结构可以有规律的排布在投影屏幕表面，也可以无规律的排布在投影屏幕表面。优选的，如图7所示，多个反光微结构10以矩阵排列的方式排布在该投影屏幕的表面。

平行的投影光入射在现有的普通屏幕上时会被漫反射，反射光沿不同角度散射出射，观众通过观察到屏幕上的散射光来观看投影图像。而平行的投影光入射在本实施例中的投影屏幕上后，会被反光微结构10会聚、反射，也就是说，反光微结构10会将投影屏幕的出射光限制在一定角度内，实现一定角度入射光的反射光在固定角度范围内的增益。

由于单个反光微结构10出射光的反向延长线会聚于一点即呈一个点的虚像，因此，对于观众来说，看到的图像不再是一个平面的反射光，而是投影屏幕上一个个的发光点。当投影屏幕表面的反光微结构10足够小时，发光点的尺寸、发光点与发光点的间距都会足够小，当这些尺寸在投影屏幕上所呈的角度远远小于人眼的最小识别角时，人眼对现有普通屏幕和本实施例中的投影屏幕所呈的像的视觉感官感受没有差别。

本实施例所提供的投影屏幕，其表面的反光微结构包括透明结构、光吸收结构和反射层，由于反射层能够反射透明结构折射的投影光，并使投影光经过透明结构二次折射后以一定角度出射，因此，应用该反光微结构的投影屏幕能够使投射到屏幕上的图像的投影光只反射到观众区域，使得投影屏幕的亮度和投影系统的效率较高；由于光吸收结构能够吸收透明结构折射的杂散光，因此，解决了现有的反光微结构无法控制杂散光的问题，提高了投影屏幕的对比度。

本实用新型实施例还提供了一种投影系统，该投影系统包括投影设备以及设置在该投影设备光路上的投影屏幕，该投影屏幕为上述实施例提供的投影屏幕。其中，本实施例中的投影系统可以为超短焦投影系统，也可以为其他投影系统，本实用新型并不仅限于此。

一般情况下，投影屏幕与投影设备和观众区域的相对位置关系如图8和9所示，图8为投影屏幕60与投影设备61和观众区域62在水平方向上的相对位置关系，图9为投影屏幕60与投影设备61和观众区域62在竖直方向上的相对位置关系。

如图8所示，投影屏幕60相对投影设备61左右对称，观众区域62也相对投影设备61左右对称，也就是说，投影设备61位于投影屏幕60和观众区域62的中心线上。由于投影屏幕60的最大出射角是投影屏幕60一侧边缘到对应的观众区域62一侧第一排第一个位置的角度ψ，因此，本实施例中可以角度ψ为最大β角设计反光微结构的尺寸等，并将相同的反光微结构遍布于投影屏幕60表面。

进一步地，为了增大出射角度范围，可以将反光微结构的反射层设计成倾斜的，即如图6中所示的与投影屏幕呈一定夹角的反射层。并且，反射层的倾斜角度可以随投影屏幕60位置的不同而不同，即投影屏幕60不同位置处的反光微结构的反射层所在平面与投影屏幕60所在平面的夹角不同，这样可以把每个反光微结构的出射角度控制到尽量接近需求角度，提高投影系统的效率。

本实施例所提供的投影系统，投影屏幕表面的反光微结构包括透明结构、光吸收结构和反射层，由于反射层能够反射透明结构折射的投影光，并使投影光经过透明结构二次折射后以一定角度出射，因此，应用该反光微结构的投影屏幕能够使投射到屏幕上的图像的投影光只反射到观众区域，使得投影屏幕的亮度和投影系统的效率较高；由于光吸收结构能够吸收透明结构折射的杂散光，因此，解决了现有的反光微结构无法控制杂散光的问题，提高了投影屏幕的对比度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。