[发明专利]一种正向投影屏及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及正向投影屏及其制造方法，尤其涉及强环境光条件下实现高亮度和高对比度的正向投影屏及其制造方法。

背景技术

正向投影能够从很小的投影仪图像获得所需的大屏幕图像，原则上投影出的图像大小不受限制。然而随着投影图像的增大，来自投影仪的光能量被分散到与尺寸成平方关系增大的面积中，造成图像亮度急剧下降。另外，由于环境光的影响，图像的对比度也会大大降低。

单纯增加投影仪的光能量输出，可以改善投影图像的亮度，但会要求投影灯的功率输出增大，随之带来散热问题及投影灯的寿命问题，投影仪的体积和电功率消耗也会增加。提高投影仪的光能量输出也不能有效解决强环境光对投影图像的对比度影响问题。

如图1所示，普通的白屏幕(101)基于朗伯散射，将来自投影仪(102)的光能量分散到屏幕前半球的所有方向，其中许多是不需要的，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观众眼睛(107)所在的一条观察带(108)内(相对于屏幕角度而言，上下约30度，水平约100度---依应用环境而不同)，所述的观察带的水平宽度(109)大于垂直宽度(110)。

从投影屏的光学性能着手是解决正向投影屏亮度和对比度的一条捷径，现有技术采用多种方案达到改善屏幕亮度和对比度的目的。很常见的是玻璃微珠屏，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，这些玻璃微珠将投影光反射回投影仪方向，大大增加了投影图像亮度。但这种屏幕有其局限性，如果投影仪偏离观众所在方向(如上挂式或地落式的情形)，观众看到的屏幕亮度会大大降低。另外，玻璃微珠反射的发散角为圆形，与前述之水平带有较大差距，故不能充分利用光能。此外，玻璃微珠之间的间隙仍旧具有朗伯散射的特征，不能充分抑制环境光的影响(降低屏幕的对比度)。

美国专利发明6842282B2采用了玻璃微珠(201)与光栅(202)结合的结构，利用了微珠屏溯源反射的特征，并用光栅的涂黑侧壁(203)吸收了部分环境光，提高了投影图像的对比度。然而，微珠屏固有的局限性使得这种屏仍然不能解决投影仪和观众不在同一方向时亮度下降的问题。如果观察者(205)偏离溯源反射光线(204)的方向，其观察到的屏幕亮度大大降低。

图3是中国专利(申请号85105808)采用二维反射微透镜阵列(301)所发明的一种投影屏，可实现如前所述的带状反射，即在水平和垂直方向具有不同的发散角(α和β)，此特征是反射微透镜单元(302)在水平和垂直方向的光焦度不同形成的；另外，反射微透镜单元的低散射特性使得环境光不能散射，并偏离水平观察带，减少了环境光造成的对比度损失。然而该种屏幕有一个局限性，那就是屏幕上各处反射出的观察带并不重合，这是由于来自投影仪的投影光到达屏幕上各点的角度不同造成的。如图3b中来自投影仪(309)的光线到达屏幕(303)中间处，经微透镜单元(304)反射后形成一观察带(306)；而投影到屏幕左下方处的光线，经微透镜单元(305)反射后形成另一观察带(307)，只有在两个带交叉处(308)才能同时看到微透镜单元(304)和(305)处的图像。如需看到屏幕的整体图像，观察者需处在屏幕所有各点反射形成的所有观察带交叠处，由于屏幕上各点反射形成的观察带中间位置都有不同，交叠面积会远小于每个透镜所生成的观察带面积，限制了观察者的视场范围。

由于微透镜阵列反射屏具有较高的屏幕增益，在制造方法上，有许多现有技术致力于制造出此种屏幕。

美国专利US7239445B2发明了一种使用变形板来制造微透镜阵列反射屏的技术，如图4所示，预先成型的具有许多尖缘的刀具模(401)用于支撑可变形板(402)，当适当的外力施加于可变形板(402)上时，可变形板依据刀具模的形状变形，形成透镜列阵的弧面。可变形板预先作过抛光处理，因此由此方法制造出的微透镜阵列反射屏具有光学表面，背景光的散射和影响被有效抑制。此项技术对于制造透镜单元相同的屏幕是合适的，然而，由于刀具模(401)制作的复杂度，对于制造每个反射单元都不同的反射屏将极为困难。

热熔法也是一种制造微透镜列阵的常用技术，首先在光刻材料表面用光刻的方法形成所需的预形状，再使用加温熔融形成透镜形状。如美国专利US5718830提供了一种在有机玻璃上形成微透镜列阵的方法。这种方法的缺点是制作的透镜之间有盲区，会成为朗伯散射的区域，因而投影图像的对比度会受环境光的影响而降低。另外，这种方法也不能制造透镜单元各不相同的列阵，也不能制造在两个方向具有不同光焦度的透镜及列阵。