專利名稱：一種對比度增強正向投影屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及正向投影屏及其制造方法，尤其涉及可屏蔽大步風環(huán)境光的，具有高 亮度和高對比度的正向投影屏。
背景技術(shù)：
正向投影能夠從很小的投影儀圖像獲得所需的大屏幕圖像，原則上投影出的圖像 大小不受限制。然而隨著投影圖像的增大，來自投影儀的光能量被分散到與尺寸成平方關(guān) 系增大的面積中，造成圖像亮度急劇下降。另外，由于環(huán)境光的影響，圖像的對比度也會大 大降低。
單純增加投影儀的光能量輸出，可以改善投影圖像的亮度，但會要求投影燈的功 率輸出增大，隨之帶來散熱問題及投影燈的壽命問題，投影儀的體積和電功率消耗也會增 加。提高投影儀的光能量輸出也不能有效解決強環(huán)境光對投影圖像的對比度影響問題。
如圖1所示，普通的白屏幕(101)基于朗伯散射，將來自投影儀(102)的光能量分 散到屏幕前半球的所有方向，其中許多是不需要的，如朝上方向(103)、朝下方向(104)、朝 左方向(105)、朝右方向(106)，而有用的方向只在屏幕前方觀眾眼睛(107)所在的一條觀 察窗口(108)內(nèi)，其水平方向的寬度(109)通常大于垂直方向(110)的寬度。
從如圖1還可以看到，任意方向的環(huán)境光(111)也可在屏幕表面反射，所形成的光 線(11 到達觀察者，從而引起圖像對比度和色彩飽和度的劣化。在很多情形下，劣化嚴重 到不能看清投影儀所透射出的圖像內(nèi)容，不得不采取降低環(huán)境光或增加投影儀光功率輸出 的辦法，以增加圖像的對比度。然而，在很多情形下，環(huán)境光的干擾無法降低到所需要的程 度。
從投影屏的光學(xué)性能著手是解決正向投影屏亮度和對比度的一條捷徑，現(xiàn)有技術(shù) 采用多種方案達到改善屏幕亮度和對比度的目的。很常見的是玻璃微珠屏，在屏幕上分散 了大量微小的具有溯源反射性能的玻璃微珠，這些玻璃微珠將投影光反射回投影儀方向， 大大增加了投影圖像亮度。但這種屏幕有其局限性，如果投影儀偏離觀眾所在方向(如上 掛式或地落式的情形)，觀眾看到的屏幕亮度會大大降低。另外，玻璃微珠反射的發(fā)散角為 圓形，與前述之水平帶有較大差距，故不能充分利用光能。此外，玻璃微珠之間的間隙仍舊 具有朗伯散射的特征，不能充分抑制環(huán)境光的影響(降低屏幕的對比度)。
美國專利發(fā)明US7^^912B2提供了對比度增強正向投影屏，采用了折射型微透鏡 陣列和孔徑陣列及反射鏡的組合，如圖2所示，來者投影儀的光線(201)通過微透鏡陣列 (202)聚焦后所形成的光線O03)穿過一個孔徑陣列004)，被反射鏡(205)反射，所形成 的光線(206)再次穿過孔徑陣列004)，及微透鏡陣列002)，出射后的光線(207)去往觀 察者。而部分環(huán)境光被微透鏡陣列聚焦后不能穿過孔徑陣列，被吸收層(208)吸收，從而降 低了環(huán)境光的影響。
上述發(fā)明的問題是，由于采用了相同的孔徑陣列(204)作為入射和出射光的窗 口，其孔徑尺寸不能做得太小，否則視角會受到極大限制。但大的孔徑尺寸又使得投影儀附近的光線也能通過孔徑，從而不能有效消除環(huán)境光的影響。
圖3是中國專利(申請?zhí)?5105808)采用二維反射微透鏡陣列(301)所發(fā)明的 一種投影屏，可實現(xiàn)如前所述的帶狀反射，即在水平和垂直方向具有不同的發(fā)散角(α和 β )，此特征是反射微透鏡單元(30 在水平和垂直方向的光焦度不同形成的；另外，反射 微透鏡單元的低散射特性使得環(huán)境光不能散射，并偏離觀察窗口，減少了環(huán)境光造成的對 比度損失。然而該種屏幕有一個局限性，那就是屏幕上各處反射出的觀察帶并不重合，這是 由于來自投影儀的投影光到達屏幕上各點的角度不同造成的。如圖北中來自投影儀(309) 的光線到達屏幕(303)中間處，經(jīng)微透鏡單元(304)反射后形成一觀察窗口(306)；而投影 到屏幕左下方處的光線，經(jīng)微透鏡單元(30 反射后形成另一觀察窗口(307)，只有在兩個 帶交叉處(308)才能同時看到微透鏡單元(304)和(305)處的圖像。如需看到屏幕的整體 圖像，觀察者需處在屏幕所有各點反射形成的所有觀察窗口交疊處，由于屏幕上各點反射 形成的觀察窗口中間位置都有不同，交疊面積會遠小于每個透鏡所生成的觀察窗口面積， 限制了觀察者的視場范圍。
上述發(fā)明還有一個局限，雖然遠離投影儀的光線不能到達觀察窗口，但投影儀附 近的光線可以到達觀察窗口，從而降低圖像的對比度和色彩飽和度。發(fā)明內(nèi)容
基于以上背景，本發(fā)明提供一種正向投影屏幕，尤其提供一種具有高增益，高對比 度，有效降低環(huán)境光影響的正向投影屏幕，所述屏幕還具有高均勻性，無眩光，無莫爾條紋， 高色彩飽和度特征。
本發(fā)明提供的正向投影屏如圖4所示，由下列結(jié)構(gòu)組成
1. 一個基底(401)有第一面(40 和第二面(40 ，由透明的光學(xué)材料組成；
2. 一個光衰減層004)，位于所述基底的第一面，接受投影光線，光衰減層的透過 率為0到1之間(不含0和1)，衰減透過的光線；
3. 一個反射型微透鏡陣列005)，位于所述基底的第二面，反射和聚焦光線；
4. 一個孔徑陣列006)，位于所述光衰減層上；
基底的第一面與反射型微透鏡陣列的焦平面重合，使得來自投影儀的光線(可 看作準平行光)透過光衰減層后被反射型微透鏡陣列反射，在基底的第一面聚焦，孔徑陣 列的孔徑位置與形成的焦點陣列位置對應(yīng)，孔徑陣列的每個孔徑等于或大于每個焦點的大 小。略大的孔徑可以降低使用時對投影儀位置的精度要求。
基底材料是透明的光學(xué)材料，如有機玻璃，光學(xué)玻璃，塑料，透明橡膠等。
來自投影儀的光線007)(設(shè)其光強為1)，透過光衰減層(404)后，光線被衰減 (設(shè)衰減因子為n)，衰減后的光線在界面折射，形成光線G08)，入射到反射型微透鏡陣列 (405)后被反射并聚焦，聚焦光線009)穿過孔徑陣列(406)并在界面折射后，形成出射光 線G10)去往觀察窗口(108))。由于光衰減層的作用，出射光線G10)的強度為η(不計 界面反射帶來的損耗)。
投影儀附近的環(huán)境光線同樣可以透過光衰減層進入到基底，并入射到反射型微透 鏡陣列被反射和聚焦，然而由于其角度偏離投影儀方向，形成的焦點的位置也偏離孔徑陣 列的小孔位置，從而只能透過光衰減層而被再次衰減，其出射光強為η2。
可以看到，環(huán)境光與投影光的衰減因子不同，相差1/η倍，故可獲得1/η倍的對 比度增益(η在0和1之間)。另一方面，出射光G10)的發(fā)散角有限，在觀察窗口可得到 n倍的亮度增益，因此在觀察窗口處得到的亮度增益為n · η，對比度增益為n/ n。
反射型微透鏡陣列是傳統(tǒng)的凹面微透鏡陣列或菲涅爾透鏡陣列，透鏡表面鍍有反 射膜，如金屬膜，多層介質(zhì)干涉膜。金屬膜是一種較廉價的反射膜，一般用真空鍍鋁或化學(xué) 鍍銀方法得到。
反射型微透鏡陣列的單元可以是正方形，也可以是長方形?？讖疥嚵芯哂信c反射 型微透鏡陣列相似的周期和形狀，如圖5所示衰減層和孔徑陣列的一部分，(504)是觀察窗 口垂直方向，(50 是觀察窗口水平方向，(501)是光衰減層，(50 是孔徑陣列。圖如表 示一個孔徑陣列單元為正方形的情況(反射型微透鏡陣列單元與之相似)，孔徑陣列水平 方向的周期(506)與垂直方向的周期(50 相等，因此在觀察窗口垂直和水平方向具有相 同的光焦度，在兩個方向上得到的視角范圍也相同。圖恥表示一個孔徑陣列單元為長方形 的情況(反射型微透鏡陣列與之相似)，一般使觀察窗口水平方向上的周期(508)大于垂直 方向上的周期(507)，使得觀察窗口水平方向視角大于垂直方向的視角，以對應(yīng)于圖1所示 的水平長，垂直窄的觀察窗口特性。
進一步，為補償投影光線入射角度不同帶來的影響，需使反射型微透鏡陣列每個 透鏡單元光軸傾斜。如圖6所示，以微透鏡(60 和(606)為例，由于它們所處在基底第二 面(603)的位置不同，投影光線(608)和(612)入射到屏幕基底(601)的角度也不同，微透 鏡也有不同程度的傾斜。投影光線(608)和(612)經(jīng)過在基底第一面(602)上的光衰減層 (604)，首先在界面折射并被衰減，進入到基底的光線(609)和(613)入射到微透鏡(605) 和(606)上并被反射，形成聚焦光線(610)和(614)，透過孔徑陣列(607)，形成出射光線 (611)和(615)去往同一觀察窗口(616)。偏離投影儀方向的環(huán)境光線也會透過光衰減層， 衰減后被反射型微透鏡反射并聚焦，再次到達光衰減層(604)，由于其方向偏離投影儀，焦 點位置與小孔陣列(607)不重合，故而被光衰減層再次衰減。
需注意到，反射型微透鏡陣列每個透鏡單元光軸傾斜是兩維的，即在觀察窗口垂 直和水平方向依據(jù)其在屏幕上相對入射光線的角度不同而設(shè)計具有不同程度的傾斜，使得 所有入射投影光線都能被反射到同一觀察窗口，且觀察窗口中心重合、大小相等。
由于基底第一面上的光衰減層和孔徑陣列是平面結(jié)構(gòu)，界面上的菲涅爾反射會產(chǎn) 生強烈的眩光?？稍诖嗣嫔细仓粚涌寡９鈱樱糜诮档突蛳９庑?yīng)?？寡９鈱涌梢?是一個棱鏡光柵，也可以是一個抗反射多層介質(zhì)干涉薄膜，也可以是漫反射薄膜，或它們的 組合。
圖7是一個用棱鏡光柵來消除眩光效應(yīng)的示意圖。來自投影儀的光線(708)、 (716)入射到棱鏡陣列(706)上，棱鏡陣列平面法線(714)向下傾斜，只要傾斜角度足夠，界 面產(chǎn)生的菲涅爾反射光(712)、(719)將不能達到觀察窗口(713)。
棱鏡光柵周期可以與孔徑列陣相同或不同，也可以是變周期和變契角的不規(guī)則光 柵，以消除莫爾條紋。
其它方法如前所述的抗反射多層介質(zhì)干涉薄膜和漫反射薄膜，在一定程度上也可 降低眩光效應(yīng)，它們的組合也可更有效地降低此效應(yīng)以及環(huán)境光在界面的漫反射產(chǎn)生的影 響，如在圖7所述的棱鏡光柵上再鍍一層抗反射多層介質(zhì)干涉薄膜，在消除眩光效應(yīng)的同時，可有效降低環(huán)境光在界面的菲涅爾反射，大大降低其影響。
在反射型微透鏡陣列一面還可加一層保護和支撐層，以保護反射型微透鏡陣列的 微浮雕結(jié)構(gòu)并對屏幕起支撐作用，保護和支撐層的材料可以是塑料、橡膠、金屬、玻璃等及 它們的復(fù)合材料。


圖1普通白屏幕的散射情況，光能量沒有被全部反射到觀察帶內(nèi)
圖2現(xiàn)有技術(shù)一帶微透鏡陣列和孔徑陣列及反射鏡的一種正向投影屏
圖3a現(xiàn)有技術(shù)一用微透鏡陣列作反射的一種正向投影屏
圖北現(xiàn)有技術(shù)一用微透鏡陣列作反射的一種正向投影屏，不同位置的透鏡反射 后形成的觀察帶部分重合
圖4本發(fā)明提供的正向投影屏，由反射型微透鏡陣列、光衰減層和孔徑陣列組成
圖如本發(fā)明提供的正向投影屏，光衰減層和孔徑陣列的部分圖案，單元為正方形
圖恥本發(fā)明提供的正向投影屏，光衰減層和孔徑陣列的部分圖案，單元為長方形
圖6本發(fā)明提供的正向投影屏，反射型微透鏡陣列單元傾斜，以使反射光線全部 到達同一觀察窗口
圖7本發(fā)明提供的正向投影屏，反射型微透鏡陣列單元傾斜，以使反射光線全部 到達同一觀察窗口，同時用棱鏡光柵消除眩光具體實施方式
[實施例1]
本發(fā)明提供的正向投影屏的一個實例如圖fe和圖6所示，包含有
1. 一個基底(601)有第一面(60 和第二面(603)，基底材料是有機玻璃；
2. 一個光衰減層(604)位于所述基底的第一面，接受投影光線，光衰減層的透過 率為0. 2 ；
3. 一個反射型微透鏡陣列(605)、(606)位于所述基底的第二面，反射和聚焦光 線.一入 ，
4. 一個孔徑陣列(607)，位于所述光衰減層上。
基底的第一面與反射型微透鏡陣列的焦平面重合，使得來自投影儀的光線(可看 作準平行光)透過光衰減層后被反射型微透鏡陣列反射，在基底的第一面聚焦，孔徑陣列 的孔徑位置與形成的焦點陣列位置對應(yīng)，孔徑陣列的每個孔徑略大于每個焦點的大小。略 大的孔徑可以降低使用時對投影儀位置的精度要求。
反射型微透鏡陣列是凹面微透鏡陣列，透鏡表面鍍有金屬鋁膜，由真空鍍膜方法 得到。
反射型微透鏡陣列單元是正方形?？讖疥嚵芯哂信c反射型微透鏡陣列相似的周 期和形狀，如圖如所示衰減層和孔徑陣列的一部分(反射型微透鏡陣列單元與之相似)， (504)是觀察窗口垂直方向，(50 是觀察窗口水平方向，(501)是光衰減層，(502)是孔徑 陣列。孔徑陣列水平方向的周期(506)與垂直方向的周期(503)相等，因此在觀察窗口垂 直和水平方向具有相同的光焦度，在兩個方向上得到的視角范圍也相同。反射型微透鏡陣列的設(shè)計使得兩個方向的視角都為士20°，對應(yīng)的亮度增益為13.4。
為補償投影光線入射角度不同帶來的影響，反射型微透鏡陣列每個透鏡單元光軸 傾斜。如圖6所示，以微透鏡(605)和(606)為例，由于它們所處在基底第二面(603)上的 位置不同，投影光線(608)和(612)入射到屏幕基底(601)的角度也不同，微透鏡也有不同 程度的傾斜。投影光線(608)和(612)經(jīng)過在基底第一面(602)上的光衰減層(604)，首先 在界面折射并被衰減，進入到基底的光線(609)和(613)入射到微透鏡(605)和(606)并被 反射，形成聚焦光線(610)和(614)，透過孔徑陣列(607)，形成出射光線(611)和(615)去 往同一觀察窗口(616)。投影光線的衰減率為0.2，考慮到有限視角帶來的亮度增益13. 4， 在觀察窗口得到的實際亮度增益為2. 68。
偏離投影儀方向的環(huán)境光線也會透過光衰減層，衰減后被反射型微透鏡反射并聚 焦，再次到達光衰減層(604)，由于其方向偏離投影儀，焦點位置與小孔陣列(607)不重合， 故而被光衰減層再次衰減。兩次衰減后，環(huán)境光的衰減率為0.04。考慮到投影光線的衰減 率和增益，可得到67倍的對比度增益。
需注意到，反射型微透鏡陣列每個透鏡單元光軸傾斜是兩維的，即在觀察窗口垂 直和水平方向依據(jù)其在屏幕上相對入射光線的角度不同而設(shè)計具有不同程度的傾斜，使得 所有入射投影光線都能被反射到同一觀察窗口，且觀察窗口中心重合、大小相等。
由于基底第一面上的光衰減層和孔徑陣列是平面結(jié)構(gòu)，界面上的菲涅爾反射會產(chǎn) 生強烈的眩光，因此在此面上鍍一層抗反射的多層介質(zhì)干涉薄膜，以降低菲涅爾反射光及 帶來的眩光效應(yīng)。
在反射型微透鏡陣列一面附著一層保護和支撐層，以保護反射型微透鏡陣列的微 浮雕結(jié)構(gòu)并對屏幕起支撐作用，保護和支撐層是橡膠和金屬鋁板的復(fù)合材料。
[實施例2]
本發(fā)明提供的正向投影屏的一個實例如圖恥和圖7所示，包含有
1. 一個基底(701)有第一面(70 和第二面(703)，基底材料是光學(xué)玻璃；
2. 一個光衰減層(704)位于所述基底的第一面，接受投影光線，光衰減層的透過 率為0. 3 ；
3. 一個反射型微透鏡陣列(705)、(715)位于所述基底的第二面，反射和聚焦光 線.一入 ，
4. 一個孔徑陣列(707)，位于所述光衰減層上；
5. 一個棱鏡光柵(706)覆著在所述的光衰減層和孔徑陣列上。
基底的第一面與反射型微透鏡陣列的焦平面重合，使得來自投影儀的光線(可看 作準平行光)透過棱鏡光柵和光衰減層后被反射型微透鏡陣列反射，在基底的第一面聚 焦，孔徑陣列的孔徑位置與形成的焦點陣列位置對應(yīng)，孔徑陣列的每個孔徑略大于每個焦 點的大小。略大的孔徑可以降低使用時對投影儀位置的精度要求。
反射型微透鏡陣列是凹面微透鏡陣列，透鏡表面鍍有金屬銀膜，由化學(xué)鍍銀方法 得到。
反射型微透鏡陣列單元是長方形?？讖疥嚵芯哂信c反射型微透鏡陣列相似的周 期和形狀，如圖恥所示衰減層和孔徑陣列的一部分(反射型微透鏡陣列單元與之相似)， (504)是觀察窗口垂直方向，(50 觀察窗口水平方向，(501)是光衰減層，(502)是孔徑陣列。孔徑陣列水平方向的周期(508)大于垂直方向的周期(507)，因此在觀察窗口垂直和水 平方向具有不同的光焦度，在兩個方向上得到的視角范圍也不同。反射型微透鏡陣列的設(shè) 計使得垂直方向的視角為士 15°，水平方向的視角為士30°，對應(yīng)的亮度增益為12. 1。
為補償投影光線入射角度不同帶來的影響，反射型微透鏡陣列每個透鏡單元光軸 傾斜。如圖7所示，以微透鏡(705)和(715)為例，由于它們所處基底第二面(703)的位置不 同，投影光線(708)和(716)入射到屏幕基底(701)的角度也不同，微透鏡也有不同程度的 傾斜。投影光線(708)和(716)入射到基底第一面(70 上的棱鏡光柵(706)和光衰減層 (704)，首先在棱鏡光柵界面折射并被光衰減層衰減，進入到基底的光線(709)和(717)入 射到微透鏡(705)和(715)并被反射，形成聚焦光線(710)和(718)，透過孔徑陣列(707)， 形成出射光線(711)和(719)去往同一觀察窗口(713)。投影光線的衰減率為0. 3，考慮到 有限視角帶來的亮度增益12. 1，在觀察窗口得到的實際亮度增益為3. 63。
偏離投影儀方向的環(huán)境光線也會透過光衰減層，衰減后被反射型微透鏡反射并聚 焦，再次到達光衰減層(704)，由于其方向偏離投影儀，焦點位置與小孔陣列(707)不重合， 故而被光衰減層再次衰減。兩次衰減后，環(huán)境光的衰減率為0.09?？紤]到投影光線的衰減 率和增益，可得到40. 3倍的對比度增益。
需注意到，反射型微透鏡陣列每個透鏡單元光軸傾斜是兩維的，即在觀察窗口垂 直和水平方向依據(jù)其在屏幕上相對入射光線的角度不同而設(shè)計具有不同程度的傾斜，使得 所有入射投影光線都能被反射到同一觀察窗口，且觀察窗口中心重合、大小相等。
由于基底第一面上的光衰減層和孔徑陣列是平面結(jié)構(gòu)，界面上的菲涅爾反射會產(chǎn) 生強烈的眩光，在此面上的棱鏡光柵將界面的菲涅爾反射光(712)和(719)偏離觀察窗口， 從而有效地消除了眩光效應(yīng)。
在反射型微透鏡陣列一面附著一層保護和支撐層，以保護反射型微透鏡陣列的微 浮雕結(jié)構(gòu)并對屏幕起支撐作用，保護和支撐層是塑脂和金屬鋁板的復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種正向投影屏，其特征在于，包含有一個基底包含有第一面和第二面；一個光衰減層，位于所述基底的第一面，接受投影光線，光衰減層的透過率為0到1之 間(不含O和1)，衰減透過的光線；一個反射型微透鏡陣列，位于所述基底的第二面，反射和聚焦光線；一個孔徑陣列，位于所述光衰減層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述的光衰減層和孔徑陣列 位于反射型微透鏡陣列的焦平面上；孔徑陣列與投影光線經(jīng)反射型微透鏡陣列反射和聚焦 所形成的焦點位置匹配，用于無衰減透過聚焦后的投影光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述孔徑陣列單元的尺寸等 于或大于投影光線通過反射型微透鏡陣列聚焦后的焦點尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述的反射型微透鏡陣列鍍 有高反射的金屬銀膜，或金屬鋁膜，或多層介質(zhì)干涉膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述反射型微透鏡陣列每個 單元的主光軸根據(jù)入射投影光線的角度不同而略有傾斜，反射形成的觀察帶(108)重合。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述反射型微透鏡陣列單元 是正方形或長方形。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述反射型微透鏡陣列單元 是正方形或長方形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的任一種正向投影屏，其特征在于，還可以有一層抗眩光層 覆著在光衰減層和孔徑陣列上，用于降低或消除表面菲涅爾反射所產(chǎn)生的眩光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種正向投影屏，其特征在于，所述的抗眩光層是一個棱鏡 光柵，也可以是一個抗反射多層介質(zhì)干涉薄膜，也可以是漫反射薄膜，或它們的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的任一種正向投影屏，其特征在于，還可以有一層保護和 支撐層覆著在反射型微透鏡陣列后，以保護微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，并作為襯底支持所述的投影 屏。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的任一種正向投影屏，其特征在于，還可以有一層保護和支撐 層覆著在反射型微透鏡陣列后，以保護微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，并作為襯底支持所述的投影屏。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有高增益，高對比度，可大大降低環(huán)境光影響的正向投影屏幕。所述屏幕還具有高均勻性，無眩光，無莫爾條紋，高色彩飽和度特征。該投影屏采用一組反射型微透鏡列陣、光衰減層和一個孔徑列陣的結(jié)構(gòu)，使通過屏幕反射的投影光線和環(huán)境光線有不同程度的衰減，并通過微透鏡列陣將投影光線反射到觀察窗口，壓縮視角，從而獲得高的對比度增益。
文檔編號G03B21/60GK102033407SQ20091020493
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月26日
發(fā)明者陳波 申請人:陳波