CN111208705B - 投影屏幕和投影*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种投影屏幕和投影***。投影屏幕包括从投影光线的入射侧依次布置的反射层和用于吸收光的光吸收层，反射层包含多个微结构单元，各微结构单元包括在第一方向倾斜相对的第一和第二平面以及在第二方向倾斜相对的第三和第四平面，第一和第二平面相对于投影屏幕的屏幕平面的倾斜角被设置为使得以第一角度范围内的第一入射角入射的投影光线的至少一部分在第一和第二平面处发生反射，并最终进入观看者的视场范围内，并且第三和第四平面相对于投影屏幕的屏幕平面的倾斜角被设置为使得以第二角度范围内的第二入射角入射的投影光线的至少一部分在第三和第四平面处发生反射，并最终进入观看者的视场范围内，并且第一入射角小于第二入射角。

Description

投影屏幕和投影***
技术领域
本发明涉及投影屏幕和投影***。具体地，本发明涉及既能够适用于长焦投影机又能够适用于超短焦投影机的具有高对比度的投影屏幕和使用该投影屏幕的投影***。
背景技术
近年来，随着投影机亮度的不断提高，投影显示***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***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***价格相对较低。
根据投射比的不同，投影机可分为长焦投影机和短焦投影机。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。因此，与长焦投影机配套使用的投影屏幕一般只需要考虑到小角度入射的投影光线。但由于室内空间有限，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。例如，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。因此，短焦甚至超短焦投影机所使用的投影屏幕需要针对大角度的投影光线而进行设计。
例如，如图1所示，在专利文献US5903392A中公开了一种具有等腰三角形棱镜微结构13的屏幕。具体地，该屏幕包括第一板材10和第二板材20。第一板材10包含光散射层12、透明基板11和棱镜微结构13。第一板材10与第二板材20之间具有间隙部14。在图1的a中所示的横截面中，棱镜微结构13的等腰斜边P和Q形成顶角α。棱镜微结构沿屏幕的上下方向延伸。由于棱镜微结构13具有等腰三角形的截面，所以该屏幕只适用于发出以小角度入射的投影光线(如图1的a中的I)的长焦投影机。
另外，如图2所示，在专利文献CN105408777A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。图2中示出了以较大角度入射的投影光线L1和环境光G1、G2的光路。投影光线L1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而被反射至观看者侧。由图2不难发现，由于透镜面32和非透镜面33的角度设置，该屏幕只适用于位于屏幕下方的超短焦投影机。
由上可知，由于长焦投影机和超短焦投影机需要具有不同的光学结构的屏幕，导致现有技术中的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***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。
发明内容
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并且具有高对比度的投影屏幕和投影***。
本发明的实施例公开了一种投影屏幕，其包括从投影光线的入射侧依次布置的反射层和用于吸收光的光吸收层。所述反射层包含多个微结构单元，每个微结构单元包括在第一方向上倾斜相对的第一平面和第二平面以及在第二方向上倾斜相对的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所述投影屏幕的屏幕平面的倾斜角被设置为使得以第一角度范围内的第一入射角入射的所述投影光线的至少一部分在所述第一平面和所述第二平面处发生反射，并最终进入观看者的视场范围内。所述第三平面和所述第四平面相对于所述投影屏幕的屏幕平面的倾斜角被设置为使得以第二角度范围内的第二入射角入射的所述投影光线的至少一部分在所述第三平面和所述第四平面处发生反射，并最终进入观看者的视场范围内。所述第一入射角小于所述第二入射角。
优选地，所述微结构单元还包括与所述屏幕平面平行的并且与所述光吸收层接触的吸光平面，所述吸光平面与所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和所述第四平面相交并且一起构成截头四棱锥形状。在此情况下，优选地，所述吸光平面的在所述第二方向上的边长与所述微结构单元在所述第二方向上的节距的比值为ARV，则0.05≤ARV≤0.9或者0.1≤ARV≤0.5，并且所述吸光平面在所述第一方向上的边长与所述微结构单元在所述第一方向上的节距的比值为ARH，则0.05≤ARH≤0.9或者0.1≤ARH≤0.5。
优选地，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在靠近所述光吸收层侧相交并且构成四棱锥形状。
优选地，所述光吸收层与所述反射层之间还具有间隔层，并且所述间隔层是由胶水制成的或者是空气间隙，并且所述间隔层的折射率小于所述反射层的折射率。
优选地，所述投影屏幕还包括光扩散结构，所述光扩散结构是设置在位于所述反射层的投影光线入射侧的光扩散层，或者所述光扩散结构是所述微结构单元的粗糙化表面。
优选地，所述投影屏幕还包括基材层，在所述基材层的靠近所述光吸收层的一侧，所述反射层通过对卷涂布树脂和UV固化工艺而与所述基材层一体地形成。
优选地，所述第三平面和所述第四平面相对于所述屏幕平面的倾斜角分别为θ1和θ2，其中，
θ1和θ2满足关系：θ1+θ2＜90°。
优选地，所述第三平面和所述第四平面的夹角的范围是101°～110°。
优选地，所述第一平面和所述第二平面的夹角的范围为84°～105°，更加优选地，为87°～98°，最优选地，为88°～93°。
优选地，所述反射层中的所述微结构单元以二维矩阵的方式在第一方向和第二方向上排布；或者所述反射层中的所述微结构单元以旋转对称的方式环形排布，并且旋转中心轴线垂直于所述投影屏幕且与所述投影屏幕相交于所述投影屏幕的下方中央处。
本发明的另一实施例还公开了一种投影***，所述***包括如上所述的投影屏幕以及投影机。例如，所述投影机是长焦投影机，来自所述投影机的所述投影光线以所述第一角度范围内的所述第一入射角入射至所述投影屏幕。或者，所述投影机是位于所述投影屏幕下方的短焦或超短焦投影机，来自所述投影机的所述投影光线以所述第二角度范围内的所述第二入射角入射至所述投影屏幕。
如上所述，根据本发明的投影屏幕和投影***至少具有如下优点：
(1)通过在反射层中形成具有两对不同的反射平面的微结构单元，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被屏幕反射至观看者的视场范围内，使得一块屏幕能够兼用于超短焦投影机和长焦投影机。
(2)在用于长焦投影机的投影屏幕时，主要凭借在水平方向上相对布置的两个反射平面起到反射投影光线的作用，在垂直方向上布置的两个反射平面能够增大屏幕的竖直视角；在用于超短焦投影机的投影屏幕时，主要凭借在垂直方向上相对布置的两个反射平面起到反射投影光线的作用，在水平方向上布置的两个反射平面能够增大屏幕的水平视角。
(3)通过在反射层的微结构单元中设置开口部并使黑色光吸收层露出于开口部，能够抵抗来自各个方向的环境光，抗环境光的效果更好，进一步提高投影屏幕的对比度。
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截面图；
图2是示出了现有技术中的投影屏幕的截面图；
图3是示出了根据本发明第一实施例的投影屏幕的示例性结构的立体图；
图4是示出了根据本发明第一实施例的投影屏幕的反射单元的结构示意图；
图5示出了当根据本发明第一实施例的投影屏幕用于超短焦投影机时，投影光线在微结构单元的在垂直方向上倾斜相对的反射平面上的反射光路示意图；
图6示出了当根据本发明第一实施例的投影屏幕用于超短焦投影机时中间光线的光路示意图；
图7的a和b分别示出了根据本发明的投影屏幕的微结构单元的在垂直方向上倾斜相对的反射平面的倾斜角度和夹角的示例；
图8示出了当根据本发明第一实施例的投影屏幕用于长焦投影机时，投影光线在微结构单元的在水平方向上倾斜相对的反射平面上的反射光路示意图；
图9示出了在根据本发明是实施例的屏幕用于长焦投影机和短焦投影机时，反射平面31和32之间的夹角与屏幕的相对增益之间的相对关系的仿真图；
图10示出了短焦投影机的投影光线入射至根据本发明第一实施例的投影屏幕的在水平方向上倾斜相对的反射平面的光路示意图；
图11示出了根据本发明的投影屏幕与对比投影屏幕的水平视角的对比的仿真结果；
图12示出了长焦投影机的投影光线入射至根据本发明第一实施例的投影屏幕的在垂直方向上倾斜相对的反射平面的光路示意图；
图13图示了根据本发明第一实施例的投影屏幕的反射微结构单元提高对比度的原理图；
图14图示了根据本发明的投影屏幕的对比度的仿真图；
图15示出了根据本发明的投影屏幕的微结构的开口因子与屏幕的相对增益的关系的仿真图；
图16示出了根据本发明的投影屏幕的微结构的开口因子与屏幕的相对对比度的关系的仿真图；
图17示出了根据本发明的投影屏幕的反射微结构单元的排布示例；
图18示出了根据本发明第一实施例的投影屏幕的光吸收层的结构示例；
图19是示出了根据本发明第一实施例的投影屏幕的示例性结构的侧视图；
图20是示出了根据本发明的投影屏幕的光扩散结构的示意图；
图21是示出了根据本发明第二实施例的投影屏幕的示例性结构的立体图；
图22是示出了根据本发明第二实施例的投影屏幕的反射单元的结构示意图；
图23是示出了根据本发明的第一实施例和第二实施例的投影屏幕的截面示意图；
图24示出了根据本发明的投影屏幕的光吸收层的粘接示例；
图25示出了根据本发明的投影屏幕的光吸收层的粘接示例。
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。
如将在下文中详细说明地，根据本发明实施例的投影屏幕由于设置有具有相对的第一平面和第二平面以及相对的第三平面和第四平面的微结构单元，所以即可与长焦投影机构成投影***，也可与短焦投影机或超短焦投影机构成投影***，并且具有高对比度，抗环境光效果好。此外，当根据本发明实施例的投影屏幕用于短焦或超短焦投影机时，投影屏幕能够获得更大的水平视角；当根据本发明实施例的投影屏幕用于长焦投影机时，投影屏幕能够获得更大的竖直视角。
1第一实施例
1.1结构概述
图3是示出了根据本发明的第一实施例的投影屏幕的结构示意图。如图3中所示，投影屏幕100包括从观众侧(即，投影光线的入射侧)依次层叠布置的光扩散层10、基材层20、反射层30和光吸收层40。反射层30中设置有以多个微结构单元，这些微结构单元以二维方式排布，形成微结构单元阵列。微结构单元可以是通过对卷涂布树脂和UV固化工艺而形成在基材层20的背离观众的一侧。换言之，反射层30和基材层20可以是一体化形成的。光线能够依次透过光扩散层10和基材层20到达反射层30。如将在下文中详细说明地，到达反射层30的光线中的一部分在反射层30中发生连续的反射并向着观众的视场方向出射，另一部分则透过反射层30被光吸收层40吸收或者被反射层30反射至观众视场之外的方向。在下文中，也将投影屏幕100的光线入射侧称为屏幕的外侧，将光吸收层侧称为屏幕的内侧。
光扩散层10用于扩散从反射层30反射出的准直光束，以使投影屏幕100具有更大的可视角度。需要说明的是，在图3中，为了方便地示出位于屏幕内侧的各层，简化了光扩散层10的图示。此外，在光扩散层10的外侧还可以根据需要添加设置防止刮伤或者化学腐蚀的保护层、利用暗色系材料制作的着色层、或者防反层等。当然，还可以根据设计需要设置其它的辅助功能层。光吸收层40能够吸收照射在其上的光束。例如，光吸收层40是黑色的光吸收层。
如图3所示，在基材层20的背离观众的一侧形成有多个反射微结构单元。这些微结构单元在垂直方向和水平方向上排列成微结构单元阵列。图4示出了在垂直于屏幕平面的方向上观察到的每个微结构单元的具体结构。如图4所示，每个微结构单元具有在水平方向上(也称为第一方向)倾斜地相对的一对反射平面31和32(也被称为第一平面和第二平面)以及在垂直方向(也称为第二方向)上倾斜地相对的一对反射平面33和34(也被称为第三平面和第三平面)。这四个反射平面均倾斜地面向观众侧。反射平面31和32以及反射平面33和34在远离观众侧与平行于屏幕平面的吸光平面35相交。换言之，反射平面31和32、反射平面33和34以及吸光平面35一起构成梯形台形状(即，截头四棱锥形状)。在水平方向上倾斜相对的反射平面31和32的倾斜角度是针对通常以第一角度范围内的入射角(对应于本发明的第一入射角)入射的来自长焦投影机的投影光线而设置的，因而主要用于反射长焦投影机的投影光线。在垂直方向上倾斜相对的反射平面33和34的倾斜角度是针对通常以第二角度范围内的入射角(对应于本发明的第二入射角)入射的短焦或超短焦投影机的投影光线而设置的，因而主要用于反射短焦或超短焦投影机的投影光线。容易理解的是，第一角度范围内的入射角显然小于第二角度范围内的入射角。吸光平面35与光吸收层40接触，入射至吸光平面35的光能够被光吸收层40吸收而基本不会再发生反射。
在一个实施例中，如将在下文中详细说明地，反射层30可以是全反射层。换言之，反射层30中的微结构单元可以是全反射微结构单元。来自长焦投影机的投影光线入射至反射层30，能够在反射平面31和32上连续发生两次全反射后朝着观众侧出射，进入观众视野。来自短焦或超短焦投影机的投影光线入射至反射层30，能够在反射平面31和32上连续发生两次反射后朝着观众侧出射，进入观众视野。相对地，环境光入射至反射层30后，在反射平面31～34中的任一个上都很难满足反生全反射的条件，要么直接透过反射层30入射至光吸收层40被吸收；要么先被反射至吸光平面35，然后透过反射层30被光吸收层40吸收。在另一个实施例中，反射层30可以是镜面反射层。换言之，反射层30中的微结构单元可以是镜面反射单元。例如，可以通过在反射平面31至34上镀覆例如金属等反射材料形成镜面反射层。应当理解的是，这里的镜面反射层可以根据需要设置对于不同光线的透射率。来自长焦投影机的投影光线入射至反射层30，能够在反射平面31和32上连续发生两次反射后朝着观众侧出射，进入观众视野。来自短焦或超短焦投影机的投影光线入射至反射层30，能够在反射平面33和34上连续发生两次反射后朝着观众侧出射，进入观众视野。相对地，环境光入射至反射层30后，一部分被反射至观众视野之外，一部分被反射至吸光平面35，然后透过反射层30被光吸收层40吸收，一部分透过反射层30被光吸收层40吸收。
由上述可知，根据本发明第一实施例的投影屏幕100即可与长焦投影机构成投影***，也可与短焦投影机或超短焦投影机构成投影***，并且具有高对比度，抗环境光效果好。
1.2反射微结构单元的光学原理及设置
如上所述，根据本发明的投影屏幕的微结构单元例如可以是全反射微结构单元，也可以是镜面反射微结构单元。下面，将参照图5至图12详细说明在根据本发明第一实施例的投影屏幕10的微结构单元是全反射微结构单元的情况下，反射微结构单元的光学原理。需要说明的是，在上述一些附图中，为了图示的方便，省略了光扩散层10和光吸收层40的图示。
1.2.1垂直方向上相对的反射平面的设置和作用
图5示出了当投影屏幕100用于短焦投影机时投影光线在微结构单元的反射平面33和34上的反射光路示意图。
如图5所示，假设反射层30的折射率为n1，位于反射层的内侧的层(如在下文中详细说明的间隔层)的折射率为n2。显然，n2应当小于n1。微结构单元的在垂直方向上倾斜相对的两个反射平面33和34与垂直方向(即，平行于屏幕平面的方向)的夹角分别为θ1和θ2(单位为度，下同)。假设来自于屏幕下方的短焦投影机的入射光线能够在反射平面34和33处连续发生两次反射并最终朝着观众侧出射，则入射光线和反射光线与水平方向(即，垂直于屏幕平面的方向)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。根据几何光学原理和光学反射条件，必须要满足如下的公式(1)～(3)：
Figure BDA0001853744250000091
Figure BDA0001853744250000092
Figure BDA0001853744250000093
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。图6示出了在反射平面34和33之间行进的光线Vmid(即，入射光线和出射光线之间的中间光线)的三种光路情况的示例。在图6的a中，中间光线Vmid的传播方向平行于屏幕平面，入射到位于下方的倾斜平面34的入射光线可以完全被上方的倾斜平面33反射。在图6的b中，中间光线Vmid的传播方向偏向于观众侧，只有一部分的从下方的倾斜平面34出射的中间光线Vmid能够被上方的倾斜平面33反射。在图6的c中，中间光线Vmid的传播方向偏向于背向观众侧，从下方的倾斜平面34出射的中间光线Vmid都能够被上方的倾斜平面33反射，但下方的倾斜平面34有一部分无法被利用。
由上述公式(1)至(3)并结合以上分析可知，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和中间光路的方向)，就可以完全确定微结构单元的用于反射来自短焦投影机的投影光线的两个倾斜平面33和34的倾斜角度θ1和θ2。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 (4)
由公式(4)可知，为了使来自短焦投影机的光束能够在根据本发明的第一实施例的投影屏幕的微结构单元的两个倾斜平面33和34上发生连续两次反射，倾斜平面33和34形成的夹角必须为钝角。进一步地，考虑到常见反射层材料的折射率为1.4～1.65，为了保证屏幕能够将投影光线投射在观众的视场方向之内，因此在垂直方向上的两个倾斜平面33和34的夹角范围优选是101°～110°。在仿真实验中，例如，设定反射层的折射率为1.53，则获得的θ1和θ2的角度如图7的a所示，倾斜平面33和34之间的夹角如图7的b所示。
1.2.2水平方向上相对的反射平面的设置和作用
图8示出了当投影屏幕100用于长焦投影机时投影光线在微结构单元的反射平面31和32上的反射光路示意图。
反射平面31和32是针对长焦投影机的以小的入射角(理想地，接近0度)入射的光线设置的。由于投影光线几乎垂直于屏幕平面入射，则两个倾斜平面31和32与屏幕平面的夹角相等。在图8中，示出了两个平面31和32的延长线的交角为θ，入射的投影光线与反射平面的夹角为σ，中间光线的入射角为ω。图8的a、b和c分别示出了θ＜90°、θ＝90°和θ＞90°的情况。
由图8中示出的几何关系可以得出：
Figure BDA0001853744250000101
σ＝90+ω-θ (6)
由(5)和(6)可以得出：
Figure BDA0001853744250000102
与前文中同样地，假设反射层30的折射率为n1，位于反射层30的内侧的层(如在下文中详细说明的间隔层)的折射率为n2。显然，n2应当小于n1。为满足反射条件，则有：
Figure BDA0001853744250000111
Figure BDA0001853744250000112
因此，可以得出两个反射平面31和32之间的夹角需要满足以下关系式：
Figure BDA0001853744250000113
考虑到常见的反射层材料的折射率为1.4～1.65，反射层外的物质为空气，即n3＝1，因此由上述公式可以得出反射平面31和32之间的夹角θ的范围是84°～105°。
例如，假设反射层的材料折射率为n2＝1.53，则反射平面31和32之间的夹角范围是87°～98°。
图9示出了在根据本发明是实施例的屏幕用于长焦投影机和短焦投影机时，反射平面31和32之间的夹角与屏幕的相对增益之间的相对关系的仿真图。如图9所示，为保证用于短焦时的屏幕增益，θ角度优选范围是88°～93°。
因此，通过将反射平面31和32设置为与屏幕平面具有相等的倾斜角并且反射平面31与32之间的夹角满足上述关系，就能够使来自长焦投影机的投影光线(理想地，几乎垂直于屏幕平面入射的投影光线)在其上连续地发生两次反射，从而将投影光线反射至观众侧并进入观众的视野。
1.2.3反射平面的其它效果
图10是从屏幕上方观察的俯视图，示出了短焦投影机的投影光线入射至根据本发明第一实施例的投影屏幕的在水平方向上倾斜相对的反射平面的光路示意图。当来自短焦投影机的光束照射在根据本发明第一实施例的投影屏幕100的在水平方向上倾斜相对的反射平面31和32上时，由于来自靠近屏幕的短焦投影机的光线的入射角必定大于垂直入射的光线的入射角，因此，如图10所示，来自短焦投影机的光束在反射平面31和32上发生两次全反射或镜面反射后，将以更大的角度范围(即，大于长焦投影机的情况)出射。图11示出了根据本发明的投影屏幕与对比投影屏幕在用于超短焦投影机时的水平视角的对比的仿真结果。在图11中，左图为作为对比的只具有垂直方向的反射平面33和34的投影屏幕的水平视角的仿真结果，右图为根据本发明的投影屏幕在同一条件下的仿真结果。通过对比可以明显看出，在用于超短焦投影机时，根据本发明的投影屏幕具有更大的水平视角。因此，在水平方向上倾斜相对的两个反射平面除了能够如上所述地适用于长焦投影机之外，还能够在使用短焦投影机的情况下起到增大屏幕的水平视角的效果。
图12是从屏幕侧方观察的侧视图，示出了长焦投影机的投影光线入射至根据本发明第一实施例的投影屏幕的在垂直方向上倾斜相对的反射平面的光路示意图。当来自长焦投影机的光束照射在根据本发明第一实施例的投影屏幕100的在垂直方向上倾斜相对的反射平面33和34上时，如图12所示，来自长焦投影机的几乎垂直入射的投影光线在经过反射平面33和34的两次反射后，将以更大的角度范围(即，大于短焦投影机的情况)出射。因此，在垂直方向上倾斜相对的两个反射平面除了能够如上所述地适用于超短焦投影机之外，还能够在使用长焦投影机的情况下起到增大屏幕的垂直视角的效果。例如，当将这样的投影屏幕用于大型的阶梯形教室或会议室时，能够同时满足坐在不同高度的观众的观看需求。
1.3对比度的提高
当前，在投影机的实际使用环境中，环境光主要是来自屏幕上方的顶部照明光、来自屏幕侧方的照明光或户外光和来自地面的反射光。如图13的左侧所示，当环境光从各个方向入射至根据本发明第一实施例的投影屏幕的反射层30时，一部分环境光线直接入射至微结构单元的吸光平面35。由于吸光平面35与后方的黑色光吸收层40接触，因此这部分环境光线被黑色光吸收层40吸收，不会影响画面质量。此外，另一部分环境光线照射至倾斜平面31～34上。这部分环境光线中的大部分被倾斜平面31～34反射至吸光平面35，然后也被黑色光吸收层40吸收，也不会影响画面质量。
由于环境光线主要是经由吸光平面35而被光吸收层40吸收，因此可以如下定义反射微结构单元的开口因子AR(Aperture Ratio)。
如图13的右侧所示，设定微结构单元的吸光平面35在水平方向上的边长为tH，在水平方向上的节距为PH，在垂直方向上的边长为tV，在垂直方向上的节距为PV，则：
Figure BDA0001853744250000131
开口因子AR表示反射微结构单元的黑色吸收占比。因此，对于根据本发明第一实施例的投影屏幕而言，反射微结构单元在水平方向和垂直方向上分别具有一个AR参数。
Figure BDA0001853744250000132
Figure BDA0001853744250000133
开口因子AR的大小决定了屏幕的对比度。因此，综合考虑屏幕增益、对比度，通过上式(4)、(10)、(12)、(13)可以确定每个梯台形TIR微结构单元的结构参数。
需要说明的是，当根据本发明第一实施例的投影屏幕100用于长焦投影机时，来自地面的环境光入射在反射微结构单元中的在垂直方向上倾斜相对的反射平面上的角度与来自短焦投影机的投影光线的入射角度不同，因此，来自地面的环境光一部分被黑色光吸收层40吸收，一部分被反射向其它方向，不会影响观众的视场，因此根据本发明第一实施例的投影屏幕100用于长焦投影机的抗环境光的效果更为显著。因此，综合考虑增益和对比度，水平方向的开口因子可以比垂直方向的开口因子小一些。图14是设置不同的开口因子参数时，对环境光线进行仿真模拟得到的光线分布，图14的左侧示出了当ARH和ARV均为0时的仿真结果，即反射微结构为四棱锥形状(此种情况将在下文中说明)时的反射结果。由图可知，在此情况下，大部分环境光经屏幕多次反射向地面方向，但仍有一部分环境光会射向观众视场中，影响观看的对比度。图14的右侧示出了当ARH为0.45并且ARV为0.5时的仿真结果。由图可知，在此情况下环境光对对比度的影响明显减少。此外，图15示出了根据本发明的投影屏幕的微结构的开口因子与屏幕的相对增益的关系的仿真图。图16示出了根据本发明的投影屏幕的微结构的开口因子与屏幕的相对对比度的关系的仿真图。需要说明的是，图15中示出的相对增益和图16中示出的相对对比度都是以基准值为参照换算出的相对值。由图15和图16示出的仿真结果可知，在本实施例中，ARH和ARV的可选范围均是0.05～0.9，优选范围是0.1～0.5。
1.4反射微结构单元的排布方式
在图3中示出的根据本发明的第一实施例的投影屏幕中，反射微结构单元在水平方向上和垂直方向上以二维矩阵阵列的方式排布。例如图17的a示出了常用于长焦投影屏幕的线栅结构。然而，反射微结构单元的排布方式不限于此。图17的b图示了根据本发明的投影屏幕中的微结构单元的另一种排布方式。如图17的b所示，反射层中的微结构单元排布为相对于位于屏幕下方中央的某点以旋转对称的方式环形排布。也即是，微结构单元的旋转中心轴线垂直于所述投影屏幕且与所述投影屏幕相交于所述投影屏幕的下方中央的某点处。这种排布方式的投影屏幕更适用于短焦投影机。另外，容易理解的是，当反射层中的微结构单元需要采用图17的b所示的环形对称的时候，每个微结构单元的平面形状将不再是如图3和图4所示的矩形，而是上方略长下方略短的梯形。但在此情况下，涉及上文中详细说明的反射面31～34和吸光平面35的的倾斜角度的设置和功能等不会发生变化，因此将省略对细节的重复说明。
1.5光吸收层和光扩散层
光吸收层40位于反射层30的内侧。光吸收层40是黑色光吸收层。这里的黑色光吸收层可以是通过挤出成型、涂布、喷涂等方式形成的纯黑的薄膜类/板/布类材料。黑色光吸收层40同反射层30的反射微结构单元的吸光平面35之间用胶水粘接在一起，如图18的a所示。胶水均匀地涂布在黑色光吸收层表面。胶水的成分为树脂、助剂和溶剂的一定比例混合物。此外，如图18的b所示，也可以通过将含有黑色染料的混合粘稠胶水先涂布在基材上，然后将基材粘合至反射层30的反射微结构单元的吸光平面35实现黑色光吸收层40的制备以及与反射层30的粘接。其中，基材为聚酰亚胺(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)膜等，或者玻璃板/PC板/布料等。
需要说明的是，由于反射层的微结构单元具有梯形台的立体结构，因此在光吸收层40粘合至反射层30的反射微结构单元的吸光平面35的情况下，光吸收层40的一部分与反射层30的接触表面是不平坦的。换言之，光吸收层40的一部分表面并没有与反射层30直接接触。在此情况下，如图19的侧视图所示，在光吸收层40与反射层30的除了吸光平面35之外的部分之间还存在着间隔层50。间隔层50可以是由例如胶水等材料形成的平坦化层，也可以是空气间隙。在间隔层50是胶水的情况下，先将胶水涂布在反射层30的各微结构单元上，然后刮平，再和光吸收层40粘接。如上所述，间隔层50的折射率n2小于反射层30的折射率n1。
光扩散层10位于基材层20的观众侧。光扩散层10可以通过热压印或者UV胶水转印的方法制备在基材层20的观众侧。在此情况下，光扩散层10和反射层30分别形成在同一基材层20的相对两侧，三者一体形成，如图20的a所示。基材包括PET、PC、PVC、PMMA等有机材料。此外，光扩散层10也可以通过热压印或者UV胶水转印的方法制备在与基材层20不同的透明基材上，然后再将两者通过UV胶水或者热固胶水贴合在一起。
可替代地，也可以不单独设置光扩散层10，而是如图20的b所示，直接将反射微结构表面做粗糙化处理以获得具有光扩散功能的光扩散表面，从而使反射微结构在反射光线的同时增大视角。光扩散层和光扩散表面可以统称为光扩散结构。
2第二实施例
下面将参照图21至图25说明根据本发明的第二实施例的投影屏幕。
图21是示出了根据本发明的第二实施例的投影屏幕的立体图。如图21中所示，投影屏幕200包括从观众侧(即，投影光线的入射侧)依次层叠布置的光扩散层10、基材层20、反射层30和光吸收层40。反射层30中设置有以多个微结构单元，这些微结构单元以二维方式排布，形成微结构单元阵列。第二实施例的投影屏幕200与第一实施例的投影屏幕100的区别主要在于反射微结构单元的具体结构。如图21和图22中所示，第二实施例的投影屏幕200的反射微结构单元具有四棱锥结构。也即是，如上文中提到的，在第二实施例中，微结构单元的开口因子AR均为0。具体地，在水平方向上倾斜地相对的一对反射平面31和32以及在垂直方向上倾斜地相对的一对反射平面33和34在远离观众侧直接相交，形成四棱锥结构。在此情况下，本实施例中的反射微结构单元不具有吸光平面35。由于不具有吸光平面35，入射的环境光线在不满足反射的情况下，一部分透过反射平面31～34中的某一个平面而被内侧的光吸收层吸收，一部分被反射至观众视场外的其它区域，也能够实现抗环境光的效果。
此外，如图24中的侧视图所示，光吸收层40被直接粘接至各反射微结构单元的顶点(即，反射平面31～34的交点)。可替代地，如图25中的侧视图所示，光吸收层40与间隔层50接触并被粘接至间隔层50。
除了上述内容之外，根据第二实施例的投影屏幕200与第一实施例的投影屏幕100在原理、结构和材料等方面均是相同的，因而在此将省略重复的说明。
图23的a和b分别示出了第一实施例中的具有梯台形结构的微结构单元的投影屏幕100和第二实施例中的具有四棱锥形结构的微结构单元的投影屏幕200沿垂直方向的截面图。对于第一实施例中的梯台形结构，如图23的a所示，一部分环境光线A2透过反射面被光吸收层吸收，此外，由于其具有开口性，另一部分环境光线A1经过反射面反射后也被光吸收层吸收。因此，在采用全反射微结构单元时，可以对环境光可进行充分吸收，对比度较好，但增益比没有开口的棱锥形结构低。对于第二实施例中的棱锥结构，如图23的b所示，一部分环境光线A4透过反射面被后面的光吸收层吸收。此外，还有一部分光线A5被反射向地面方向，不会影响观看。但是，仍然有一部分环境光线A3满足反射条件并被反射至观众的视场中。因此，第二实施例中的棱锥结构相对较弱，但是增益较高。通过以上对比可知，由于第一实施例的投影屏幕100具有吸光平面35，因此能够更好地吸收环境光线，能够获得高的对比度；但由于吸光平面35也会吸收掉一部分的投影光线，因此会影响屏幕增益。相对地，如在上文中提及地，第二实施例的投影屏幕200易于实现高增益，但对环境光线的吸收效果不如第一实施例的投影屏幕100。因此，根据本发明第一实施例的投影屏幕具有合适的增益和高的对比度，而根据本发明第二实施例的投影屏幕具有合适的对比度和高的增益。一般情况下，根据本发明第一实施例的投影屏幕的结构是优选的。此外，应当理解的是，本发明的微结构单元的结构不限于上述实施例中说明的具体结构，而是只要能够具有针对以第一角度范围内的第一入射角入射的来自长焦投影机的投影光线而设置的一对第一平面和第二平面，以及针对以第二角度范围内的第二入射角入射的来自短焦或者超短焦投影机的投影光线而设置的一对第三平面和第四平面的一切可行的结构均可。此外，上述的第一方向不限于水平方向，上述的第二方向不限于垂直方向，两者可以互换，或者可以是相互正交的任意两个方向。
尽管在上面已经参照附图说明了根据本发明的投影屏幕和投影***，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。

Claims (15)

1.一种投影屏幕，其特征在于，包括从投影光线的入射侧依次布置的反射层和用于吸收光的光吸收层，
所述反射层包含多个微结构单元，每个微结构单元包括在第一方向上倾斜相对的第一平面和第二平面以及在第二方向上倾斜相对的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所述投影屏幕的屏幕平面的倾斜角被设置为使得以第一角度范围内的第一入射角入射的所述投影光线的至少一部分在所述第一平面和所述第二平面处发生反射，并最终进入观看者的视场范围内，并且
所述第三平面和所述第四平面相对于所述投影屏幕的屏幕平面的倾斜角被设置为使得以第二角度范围内的第二入射角入射的所述投影光线的至少一部分在所述第三平面和所述第四平面处发生反射，并最终进入观看者的视场范围内，
其中，所述第一入射角小于所述第二入射角；所述第一方向和所述第二方向是相互正交的两个方向。
2.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，所述微结构单元还包括与所述屏幕平面平行的并且与所述光吸收层接触的吸光平面，所述吸光平面与所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和所述第四平面相交并且一起构成截头四棱锥形状。
3.根据权利要求2所述的投影屏幕，其特征在于，所述吸光平面的在所述第二方向上的边长与所述微结构单元在所述第二方向上的节距的比值为ARV，则0.05≤ARV≤0.9或者0.1≤ARV≤0.5，并且
所述吸光平面在所述第一方向上的边长与所述微结构单元在所述第一方向上的节距的比值为ARH，则0.05≤ARH≤0.9或者0.1≤ARH≤0.5。
4.根据权利要求1所述的投影屏幕，其特征在于，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在靠近所述光吸收层侧相交并且构成四棱锥形状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述光吸收层与所述反射层之间还具有间隔层，并且
所述间隔层是由胶水制成的或者是空气间隙，并且所述间隔层的折射率小于所述反射层的折射率。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕还包括光扩散结构，所述光扩散结构是设置在位于所述反射层的投影光线入射侧的光扩散层，或者所述光扩散结构是所述微结构单元的粗糙化表面。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述投影屏幕还包括基材层，在所述基材层的靠近所述光吸收层的一侧，所述反射层通过对卷涂布树脂和UV固化工艺而与所述基材层一体地形成。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述第三平面和所述第四平面相对于所述屏幕平面的倾斜角分别为θ1和θ2，其中，
θ1和θ2满足关系：θ1+θ2＜90°。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述第三平面和所述第四平面的夹角的范围是101°～110°。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面的夹角的范围是84°～105°或者是87°～98°。
11.根据权利要求10所述的投影屏幕，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面的所述夹角的范围是88°～93°。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的投影屏幕，其特征在于，所述反射层中的所述微结构单元以二维矩阵的方式在第一方向和第二方向上排布；或者
所述反射层中的所述微结构单元以旋转对称的方式环形排布，并且旋转中心轴线垂直于所述投影屏幕且与所述投影屏幕相交于所述投影屏幕的下方中央处。
13.一种投影***，所述***包括如权利要求1至12中任一项所述的投影屏幕以及投影机。
14.如权利要求13所述的投影***，其特征在于，所述投影机是长焦投影机，来自所述投影机的所述投影光线以所述第一角度范围内的所述第一入射角入射至所述投影屏幕。
15.如权利要求13所述的投影***，其特征在于，所述投影机是位于所述投影屏幕下方的短焦或超短焦投影机，来自所述投影机的所述投影光线以所述第二角度范围内的所述第二入射角入射至所述投影屏幕。
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