屏幕和投影系统的制作方法

本发明涉及屏幕领域。具体地，本发明涉及一种能够提高对投影光线的利用率并且具有高对比度的投影屏幕和投影系统。

背景技术：

近年来，超短焦投影机的出现是投影领域的一大进步。超短焦投影机具有很短的投射比，它的出现意味着在投影过程中由于人的走动或物体的摆放而挡住画面的情况将不复存在。此外，采用超短焦投影机的投影系统尺寸小，便于安装，整套系统价格低，并且能够在较小的投影距离内轻松实现大于100寸的画面。因此，在大尺寸家庭影院的应用中，投影显示系统比lcd电视更具优势。

在这样的投影系统中，除了投影机之外，投影屏幕是影响投影图像效果的重要因素。在投影屏幕的投影显示中，图像对比度是评价屏幕画面质量的一个重要参数。通常，投影机的对比度可以达到数千比一，但是在客厅等实际家庭使用的环境中，环境光对屏幕画面的对比度会产生较强的影响。一般的投影屏幕既能反射投影机的投影光线也能反射环境光，使得对比度严重下降，极大地影响观看体验。因此，需要通过技术手段降低环境光对投影显示带来的不利影响，使投影画面具有较高的对比度，提升显示质量。

为了提高在有大量环境光的情况下的屏幕对比度，目前抗环境光的投影屏幕大多采用阵列微结构加上光反射层或者光吸收层的技术方案。例如，图1示出了本申请人之前提出的抗环境光的投影屏幕100。如图1所示，投影屏幕100层叠设置有透明基材层101、全反射层102和吸光层103。全反射层102中设置有能够使特定的入射光线连续发生两次全反射的微结构单元。全反射层102中设置有多个微结构单元，以形成锯齿状结构。入射的投影光线中的一部分经过全反射层102的全反射后从投影屏幕入射至观看者的眼中形成图像，而另一部分由于不满足在全反射层发生全反射的光学条件而透过全反射层被屏幕后侧的黑色吸光层103吸收而损失掉。通常，图1中所示的投影屏幕对于投影机的投影光线的光能利用率仅为50％左右。

可见，在上述现有技术中，投影屏幕在对投影光线和环境光进行区分的过程中损失掉了较多的投影光线，导致对投影光线的利用效率低，难以获得明亮的显示图像。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明期望提供一种能够提高对投影光线的利用率并且具有高对比度的屏幕和包含这样的屏幕的投影系统。

根据本发明的第一实施例提供了一种屏幕。所述屏幕能够将来自投影机的投影光线反射至观看者的视场范围内，包括从所述投影光线的入射侧依次层叠设置的微透镜层、透明基材层、全反射层和吸光层。所述吸光层能够吸收透过所述微透镜层、所述透明基材层和所述全反射层的光。所述微透镜层包括多个微透镜单元。所述全反射层包括多个微结构单元，所述微结构单元具有位于下侧的第一平面和位于上侧的第二平面，所述第一平面和所述第二平面相交，所述多个微结构单元构成锯齿结构。所述微透镜单元与所述微结构单元至少部分交错地设置，使得所述微透镜单元将至少部分所述投影光线会聚至所述第一平面，被会聚至所述第一平面的所述投影光线在所述第一平面和所述第二平面连续发生两次全反射之后出射。

优选地，所述全反射层和所述微透镜层具有对应的旋转对称结构。优选地，所述全反射层的旋转中心轴线和所述微透镜层的旋转中心轴线均垂直于所述屏幕的平面且可以位于所述屏幕的下方。

优选地，所述微透镜层具有圆弧形的旋转对称结构。

所述微透镜单元的焦距为f，所述微透镜单元的圆弧与光轴的交点和对应的所述第一平面和所述第二平面的交线在所述光轴方向上的距离为d，则所述f和所述d优选地满足关系式：f＜3d。更加优选地，f≈d。

所述屏幕还可以设置有光扩散层，所述光扩散层是设置在所述微结构单元的所述第一平面和所述第二平面的至少一个平面上的微结构扩散层；或者，所述光扩散层是设置在所述微透镜层的投影光线入射侧的光学扩散薄膜。

优选地，所述吸光层是黑色吸光材料层。

优选地，所述微透镜层、所述透明基材层和所述全反射层是由同一pet基材一体形成的。可替代地，所述微透镜层、所述透明基材层和所述全反射层的材料互不相同。

所述屏幕还可以包括内侧层，所述内侧层位于所述全反射层和所述吸光层之间，所述内侧层具有与所述全反射层的所述微结构单元相匹配的锯齿状结构，所述全反射层的折射率n1和所述内侧层的折射率n2满足关系：n2<n1-0.2。例如，所述内侧层可以是空气层、石英层或玻璃层。

优选地，所述全反射层的各所述微结构单元设置成旋转对称的全反射棱镜，所述微结构单元的两个相交平面与所述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。

优选地，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。可替代地，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。

根据本发明的第二施例提供了一种投影系统，所述投影系统包括投影机和如上所述的屏幕。

根据上述说明可知，根据本发明的屏幕和投影系统至少具有如下优势：

1、通过在全反射层的表面设置具有阵列结构的微透镜层，改变以大的入射角度入射的投影光线的光路，使得绝大部分投影光线在全反射层的微结构单元的两个倾斜平面上均满足全反射条件，从而能够在连续发生两次全反射之后被反射至观看者的视场范围内，有效地提高了屏幕对投影光线的利用效率。

2、微透镜层显著提高了投影光线的反射效率，从而能够获得更高的屏幕增益。

3、通过设置散射层，使得经全反射层准直的光线以更大的扩散角出射，增大了屏幕的有效观看视角。

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是示出了根据本发明的屏幕的结构示意图；

图3是示出了根据本发明的屏幕的层叠结构的横截面示意图；

图4是示出了根据本发明的屏幕的微透镜单元的结构设计的示意图；

图5是示出了根据本发明的屏幕的全反射层的微结构单元的旋转对称结构的示意图；

图6是示出了根据本发明的屏幕的微透镜层的微透镜单元的旋转对称结构的示意图；

图7是示出了根据本发明的屏幕的光扩散层的示例的结构示意图；

图8是示出了根据本发明的屏幕的结构示意图；

图9是示出了根据本发明的屏幕的光扩散层的另一示例的结构示意图；

图10是示出了根据本发明的屏幕的全反射层的微结构单元的光学原理的示意图；

图11是示出了根据本发明的屏幕的微结构单元的倾斜角度与光路之间的关系的示意图；

图12是示出了根据本发明的屏幕的微结构单元的光学角度的模拟实例；

图13是示出了根据本发明的屏幕的全反射层和内侧层的材料折射率的关系的示意图；

图14是示出了根据本发明的屏幕的加工的具体实施例。

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，图示出的投影屏幕的多层结构中各层的厚度、形状、大小等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、全反射投影屏幕的结构说明

图2是示出了根据本发明实施例的投影屏幕的结构示意图。如图2中所示，屏幕10包括依次层叠设置的吸光层11和光学功能层12，光学功能层12相对于吸光层11位于投影机(未图示)的投影光线的入射侧。在下文中，也将屏幕10的投影光线的入射侧称为屏幕的外侧(即，面向观众一侧)，将吸光层侧称为屏幕的内侧(即，背向观众一侧)。

图3示出了根据本发明实施例的屏幕的光学功能层12的具体结构的截面示意图。所图3所示，光学功能层12包括从投影光线的入射侧依次层叠设置的微透镜层123、透明基材层120、全反射层121和内侧层122。透明基材层120例如可以由pet、pc或pmma等透明材料形成。微透镜层123形成在透明基材层120的投影光线入射侧，全反射层121设置在透明基材层120的与投影光线入射侧相反的一侧。内侧层122形成在全反射层121的靠近吸光层11的一侧，并且与吸光层11相接触。形成内侧层122的材料的折射率低于形成全反射层121的材料的折射率。

全反射层121设置有多个微结构单元。每个微结构单元可以被形成为全反射棱镜。图3中示出的微结构单元具有三角形的横截面结构，此外，微结构单元也可具有例如梯形等其它形状的横截面结构。每个微结构单元包含两个倾斜的相交平面124和125，其中，位于下侧的倾斜平面124对应于本发明中的第一平面，位于上侧的倾斜平面125对应于本发明中的第二平面。这两个倾斜平面的倾斜角度经过精确的设计(稍后将详细说明)，使得从屏幕10下方入射的至少大部分投影光线31在两个倾斜平面处发生全反射，最终成为被反射至观看者的视场范围内的出射光线33，而来自于屏幕10上方的环境杂光32绝大部分的角度无法满足全反射条件而透过所述光学功能层12被吸光层11吸收。微结构单元的两个相交平面124和125也可以看做是全反射层121与内侧层122这两种不同的材料层之间的界面，其中全反射层121为第一材料层，内侧层122为第二材料层。在图3所述的横截面中，全反射层121的多个微结构单元周期性排列，形成锯齿状结构；内侧层122也因此具有对应的锯齿状结构。例如，可以通过在透明基材层120的投影光线入射侧加工制作透镜结构形成微透镜层123，在透明基材层120的另一侧用对卷涂布树脂和uv固化工艺加工形成具有微结构阵列的全反射层121。所述全反射层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。内侧层122可以是例如空气层、石英层或玻璃层等。应当理解，图2和图3中示出的是内侧层122为空气层的情况。另外，图3中示出了全反射层121的多个微结构单元周期性排列的情况，但是，多个微结构单元也可以非周期性排列，只要能够形成锯齿状结构即可。

微透镜层123中形成有多个微透镜单元，多个微透镜单元形成了微透镜阵列。微透镜单元的排列方式与全反射层121中的微结构单元的排列方式相对应。例如，多个微透镜单元可以周期性地排列，也可以非周期性地排列。图3中为了图示清楚，仅示出了3个微结构单元和4个微透镜单元。微透镜单元与微结构单元至少部分交错地布置，使得微透镜单元至少将部分投影光线31会聚至微结构单元的两个相交平面124和125之中位于下侧的第一平面124上。微透镜单元的透镜形状可以根据需要设定为已知的任何合适的透镜形状。

可以通过调整微透镜层123的形状和与全反射层121的相对位置以使尽可能多的投影光线31能够有效地入射至全反射层121。例如，当微透镜层123中的各微透镜单元是简单的曲率为r的球透镜时，微透镜单元的近轴光线的焦点可以根据如下公式计算出来。

这里nl为微透镜层的折射率，n0为微透镜层外侧的介质(例如，空气)的折射率。在此情况下，微透镜单元的光轴优选经过位于下侧的第一平面124，并且第一平面124相对于微透镜层123的距离可以根据需要进行调整。如图4所示，第一平面124和第二平面125的交线的位置可以位于球透镜的焦点位置(即图4中的菱形块所示的位置2)，也可以位于焦点位置的外侧和内侧(如图4中的菱形块所示的位置1和位置3)。定义在微透镜层123的微透镜单元的光轴方向上从微透镜层123的最外侧(即，微透镜层123的微透镜单元的圆弧与光轴的交点)至全反射层121的表面最内侧顶点(该点代表对应的第一平面124和第二平面125的交线)的距离为d，那么当第一平面124的位置位于位置2，f≈d；当第一平面124的位置位于位置1，f＞d；当第一平面124的位置位于位置3时，f＜d。全反射层121位于微透镜层123的透镜的焦点处，即f≈d是优选的，当然也可以根据实际需要在该位置周围进行调节，但通常应当使f与d满足关系式：f＜3d。

如图3所示，来自屏幕下方的投影机的投影光线31首先入射至微透镜层123。微透镜层123用于改变从下侧以较大的入射角度大致平行入射的投影光线31的光路，使至少部分投影光线31会聚至两个倾斜平面124和125中的下侧平面124。投影光线31在该平面处发生一次全反射，然后在上侧的倾斜平面125处再发生一次全反射，再经过微透镜层123，最终被反射至观看者的视场范围内，成为屏幕10的出射光线33。环境杂光32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32的入射角远小于投影光线的入射角度。因此，环境杂光32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而被吸光层11吸收。与现有技术中的投影屏幕相比，根据本发明的投影屏幕10由于在透明基材层120的光入射侧设置了微透镜层123，使得原本以大入射角入射的投影光线的光路变得更易于满足在全反射单元中发生两次全反射的光路要求，大幅减少了因无法发生全反射而造成的投影光线的损失，提高了投影光线的利用率，提高了屏幕增益，能够获得更亮的显示画面。

在光学功能层12中，如图5所示，全反射层121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(未图示)布置在该旋转中心轴线上。因此，在全反射层121的每一个微结构单元中，全反射层121是在透明基材层120的表面上形成的一排旋转对称的棱镜。相应地，微透镜层123也具有如图6所示的圆弧状的旋转对称结构。

此外，为了使根据本发明的屏幕10具有更大的可视角度，屏幕10还可以设置有用于扩散经全反射层121准直的投影光线的光扩散层。例如，可以通过在光学功能层12的外侧设置光学散射薄膜形成光扩散层。例如，图7的a～c(为了便于显示，该图省略了屏幕的部分其它结构)分别示出了3种可以用作这样的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。作为示例，如图8中所示，光扩散层包括由体散射薄膜形成的体扩散层13和由表面微透镜阵列薄膜形成的表面微结构层14。当然，如上所述，光扩散层的层叠数量和种类不限于此。在使用这样的光学散射薄膜作为光扩散层的情况下，可以先分别制成光学功能层和光扩散层，然后通过光学贴合工艺将光扩散层粘接至微透镜层123的外侧。

此外，也可通过在全反射层121的微结构单元中设置扩散微结构来形成光扩散层。如图9中所示，微结构扩散层126设置在全反射层121的微结构单元的两个倾斜平面124和125的至少部分表面。具体地，图9的左侧示出了在微结构单元的两个相交平面上都设置有微结构扩散层，从而实现视场角更大的光线输出。图9的中间和右侧分别示出了在微结构单元的两个相交平面中的一侧平面上设置微结构扩散层的示例。应当理解，图9为了图示方便，仅图示了屏幕10的透明基材层120、全反射层121和吸光层11，省略了其它结构。例如，可以通过在微结构单元的两个倾斜平面124和125的表面加工扩散微结构或者镀覆不规则散射薄膜，从而形成微结构扩散层126。微结构扩散层用于使入射的投影光线31在全反射层121的倾斜平面处发生全反射的同时，还能够被扩散。通过这样的结构，根据本发明实施例的屏幕10无需在屏幕表面额外设置单独的扩散层，而是使全反射层121的微结构单元兼具光扩散功能，从而简化了屏幕的结构。

进一步的，在屏幕10的最外侧还可以添加设置保护层以防止刮伤或者化学腐蚀，该保护层可以是聚酰亚胺(pi)膜、聚酯(pet)膜、聚萘酯(pen)膜、聚氯乙烯(pvc)膜、聚碳酸酯(pc)膜或液晶聚合物(lcp)膜、玻璃板、pc板、布料等的一种或几种，比如玻璃板上的聚萘酯(pen)膜。当然，还可以根据设计需要设置其它的辅助功能层。

如上所述，根据本发明实施例的屏幕10利用了光学功能层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。另外，通过设置微透镜层123，大幅减少了由于无法发生全反射而造成的投影光线的损失，提高了投影光线的利用率，增大了屏幕增益。

二、全反射微结构单元的光学原理及角度选择

图10图示了根据本发明实施例的屏幕的全反射微结构单元的光学原理。为了便于分析，在下述的讨论中不考虑微透镜层123和微结构扩散层126对投影光线的光路优化。

如图10所示，全反射层121的折射率为n1和内侧层122的折射率为n2，微结构单元的第一平面124和第二平面125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水平方向的夹角分别为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(2)～(4)：

基于上述公式(2)～(4)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，当中间光线偏向远离观众侧时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(5)和(6)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(5)和(6)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(2)可以得到：

θ1+θ2＜90(7)

由公式(5)可知，在超短焦投影的应用中，根据本发明的屏幕的微结构单元的第一平面124和第二平面125之间的夹角必须为钝角。

图11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在全反射层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11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(7)可知θ1<45度，也即θ1<θ2。

但在实际应用中，也可能存在如图11的b和c示出了非理想的光路情况。在图11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11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12图示了根据本发明的屏幕的微结构单元的光学角度的模拟实例。图12的a所示的屏幕的焦点位于无穷远处，也即是说，在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(7)。在图12的b所示的屏幕中，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，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、全反射层和内侧层的折射率选择

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全反射层121的折射率n1和内侧层122的折射率n2的影响。根据本发明的屏幕的全反射层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，全反射层121也可以使用具有类似折射率的其它材料制成。另外，还可以在制成全反射层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13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13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全反射层121的折射率n1为1.6，根据上述公式(3)和(4)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13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(9)

在满足上述条件的情况下，内侧层122优选是空气层。

四、光学功能层的具体实施例

下面，将参照附图14说明根据本发明的屏幕的光学功能层的具体实施例。

图14的a示出了根据本发明的屏幕的光学功能层的第一实施例。如图所示，微透镜层123、透明基材层120和全反射层121可以由同一块基材形成。例如，使用pet作为透明基材层120的材料，在pet基材的面向观众的一侧加工形成微透镜阵列作为微透镜层123，在pet基材的另外一侧采用对卷涂布树脂和uv固化工艺加工形成棱镜的微结构阵列，作为全反射层121。

图14的b和c示出了根据本发明的屏幕的光学功能层的第二实施例。在此情况下，微透镜层123相对于透明基材层120和全反射层121单独地形成，然后通过光学粘合或者机械固定将两者结合在一起。微透镜层123的材料可以与透明基材层120相同，也可以不同。特别地，微透镜层123、透明基材层120和全反射层121的材料可以互不相同。

尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的屏幕及投影系统，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。