TWI728110B - 一種投影螢幕 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種投影螢幕，包括螢幕本體和設置在螢幕本體 投射面上的表面結構，表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列和反射層，透明微結構包括光入射面和光反射面，光入射面對入射光具有會聚作用且具有預設焦距，其沿第一方向的寬度為預設值；光反射面為光入射面的焦距範圍內的曲面，用於調整出射光在第二方向與螢幕法線所成的平面內的方向，第一方向和第二方向平行於螢幕平面且相互垂直。投影螢幕表面結構能夠調整螢幕出射光的出射角度範圍，能夠使出射光在的最大出射角大於其入射角，並能控制調整一定入射角的入射光經螢幕反射後以預設角度範圍出射，實現了對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。

Description

一種投影螢幕

本發明涉及光學應用技術領域，特別是涉及一種投影螢幕。

投影螢幕，應用於投影系統中用於放映投影圖像，投影螢幕與投影機的相對位置一般固定，發出的投射光近似為以一定角度的平行光入射到螢幕，入射光經螢幕發生反射，被反射的光線進入人眼，從而觀看者可觀看到圖像。

在投影系統中，觀看者相對投影螢幕的位置往往是固定的。人們希望投影系統顯示在螢幕上圖像的反射光只反射到觀看區域，而減少其它無效區域的反射光，這樣可提高觀看螢幕圖像的亮度。

因此，經由上述的說明，有鑑於此，本發明提供一種投影螢幕，能夠調整螢幕出射光的出射角度範圍，實現了對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。

本發明提供一種投影螢幕，能夠調整螢幕出射光的出射角度範圍，實現了對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。

為實現以上目的，本發明提供一種投影螢幕，包括螢幕本體，還包括設置在該螢幕本體投射面上的表面結構；該表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列以及反射層，其中該透明微結構包括：對入射光具有會聚作用且具有預設焦距的光入射面，該光入射面的沿第一方向的寬度為預設值，該光入射面用於調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角；位於該光入射面的焦距範圍內的、曲面形的光反射面，在該光反射面設置有該反射層，該光反射面用於調整出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角；該第一方向和該第二方向平行於螢幕平面且相互垂直。

可選地，所述光入射面的焦距小於光入射面到光反射面距離的兩倍。

可選地，在第二方向與螢幕法線所形成的平面內，所述光反射面具有一焦點，且該焦點位於所述透明微結構內。

可選地，所述光入射面為主軸與所述第二方向平行的圓柱面或拋物柱面。

可選地，所述光反射面為主軸與所述第一方向平行的圓柱面或拋物柱面。

可選地，作為光入射面的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸與螢幕法線不平行。

可選地，作為光反射面的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸與螢幕法線不平行。

可選地，所述光入射面為對入射光具有會聚作用且具有所述預設焦距的球面或者抛物面。

可選地，所述光反射面為球面或抛物面。

可選地，作為光入射面的球面或抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行。

可選地，作為光反射面的球面或抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行。

可選地，所述透明微結構還包括連接所述光入射面和所述光反射面的側面，預設入射角度的入射光經所述光入射面端邊入射形成的折射光與所述側面平行，所述側面設置有光吸收體。

可選地，對於所述透明微結構陣列中的一透明微結構，存在穿過該透明微結構且同時平行於第一方向和螢幕法線的第一平面，該透明微結構沿該第一平面的截面滿足以下關係式：當tan α

-

時，

當tan α

-

時，

當tan θ

-tan α時，

當tan θ

-tan α時，

其中，f為該透明微結構的光入射面的焦距，d為光入射面沿第一方向的寬度，h為光入射面到光反射面的距離，α為入射光在第一平面的入射角，θ為側面與螢幕法線的夾角，γ為入射光對應的出射光在第一平面的最大的第一出射角，β為入射光對應的出射光在第一平面的最大的第二出射角，第一出射角對應的出射光與第二出射角對應的出射光分別位於螢幕法線的兩側。

可選地，所述光吸收體填充在相鄰所述透明微結構的側面之間。

可選地，所述表面結構至少包括第一區域和第二區域；所述第一區域的透明微結構的光入射面的主光軸與所述第二區域的透明微結構的光入射面的主光軸不平行。

由上述內容可知，與現有技術相比，本發明所提供的一種投影螢幕，包括螢幕本體和設置在螢幕本體投射面上的表面結構，該表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列以及反射層。其中，透明微結構包括光入射面和光反射面，光入射面對入射光具有會聚作用，具有預設焦距；光反射面為曲面形，位於光入射面的焦距範圍內，在光反射面設置有反射層，使其對光具有反射作用。

當投射光以一定入射角照射到投影螢幕，入射光經光入射面折射進入透明微結構，形成的折射光被會聚，並照射到位於焦平面之前的光反射面上，經反射後，光束再次經光入射面折射射出形成出射光，出射光的 反向延長線在透明微結構內形成一個點光源的像，出射光相當於從該點光源發出的光。通過光入射面調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成平面內的方向，通過調整設計光入射面的焦距和沿第一方向的寬度、透明微結構的厚度(即光入射面與光反射面的距離)能夠控制透明微結構形成的點光源像的位置，進而來調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成平面內的出射角度範圍。光反射面用於調整出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角。

在實際應用中，根據入射光到達投影螢幕的入射角以及所要求的螢幕出射光的出射角度範圍，通過相應設計透明微結構光入射面的焦距和寬度、以及透明微結構的厚度，能夠控制以一定入射角的入射光在預設角度範圍內出射，從而實現對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果，達到提高光利用率的效果。如果將螢幕出射光的出射角度範圍對應於觀看區域，則可將投影螢幕的出射光限定在觀看區域，可實現對對應於觀看區域的出射光增益的作用，能夠提高觀看者觀看到螢幕圖像的亮度。

<本發明>

α:入射角

β:最大的第二出射角

γ:最大的第一出射角

d:寬度

f:透明微結構的光入射面的焦距

f’:光反射面的焦距

h:距離

100:透明微結構

101:光入射面

102:光反射面

103:反射層

104:側面

105:光吸收體

106:焦平面

107:投影螢幕

108:投影機

109:螢幕法線

110:對稱中軸

圖1為本發明實施例提供的一種投影螢幕透明微結構的光路示意圖；圖2為投影螢幕懸掛後豎直方向的角度範圍示意圖；圖3為投影螢幕懸掛後水準方向的角度範圍示意圖；圖4為本發明實施例提供的一種投影螢幕表面結構的示意圖； 圖5A為本發明一種實施例中透明微結構沿第一方向和螢幕法線所成平面的截面圖；圖5B為圖5A所示透明微結構沿第二方向和螢幕法線所成平面的截面圖；圖6A為本發明又一種實施例中透明微結構沿第一方向和螢幕法線所成平面的截面圖；圖6B為圖6A所示透明微結構的光路示意圖；圖7為本發明又一種實施例中透明微結構沿第二方向和螢幕法線所成平面的截面圖；圖8為本發明又一實施例提供的一種投影螢幕表面結構的示意圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種投影螢幕，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

本發明提供一種投影螢幕，能夠調整螢幕出射光的出射角度範圍，實現了對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。

本發明所提供的一種投影螢幕，包括螢幕本體，還包括設置在該螢幕本體投射面上的表面結構；表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列以及反射層，其中透明微結構包括：光入射面，光入射面對入射光具有會聚作用，且具有預設焦距，光入射面的沿第一方向的寬度為預設值，光入射面利用其折射功能調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射 角大於入射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角；光反射面，光反射面位於光入射面的焦距範圍內，且為曲面形，在光反射面上設置有該反射層，光反射面利用其反射功能調整出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角；上述的第一方向和第二方向均平行於螢幕平面且兩者相互垂直。

由上述內容可知，本發明所提供的投影螢幕，包括螢幕本體和設置在螢幕本體投射面上的表面結構，該表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列以及反射層。其中，透明微結構包括光入射面和光反射面，光入射面對入射光具有會聚作用，具有預設焦距；光反射面為曲面形，位於光入射面的焦距範圍內，在光反射面設置有反射層，使其對光具有反射作用。

於本發明中，所述透明微結構為折射率大於1的透明介質，可以為樹脂等有機成分，也可以為玻璃、石英等無機成分。

本發明中，所描述的出射角是指出射光與螢幕法線的夾角，光在某一平面內的方向為該束光在該平面上的投影的方向。

當投射光以一定入射角照射到投影螢幕，入射光經光入射面折射進入透明微結構，形成的折射光被會聚，並照射到位於焦平面之前的光反射面上，經反射後，光束再次經光入射面折射射出形成出射光，出射光的反向延長線在透明微結構內形成一個點光源的像，出射光相當於由該點光源發出的光。通過光入射面能夠調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，能夠使得出射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的入 射角，通過調整設計光入射面的焦距和沿第一方向的寬度、透明微結構的厚度(即光入射面與光反射面的距離)能夠控制透明微結構形成的點光源像的位置，進而來調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成平面內的出射角度範圍。光反射面用於調整出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，能使得出射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角。

在實際應用中，根據入射光到達投影螢幕的入射角以及所要求的螢幕出射光的出射角度範圍，通過相應設計透明微結構光入射面的焦距和寬度、以及透明微結構的厚度，能夠控制以一定入射角的入射光在預設角度範圍內出射，從而實現對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。如果將螢幕出射光的出射角度範圍對應於觀看區域，則可將投影螢幕的出射光限定在觀看區域，可實現對對應於觀看區域的出射光增益的作用，能夠提高觀看者觀看到螢幕圖像的亮度。

本發明中，要求光反射面位於光入射面的焦距範圍內，即是要求光入射面與光反射面的距離小於光入射面的焦距。首先，要求光反射面不能位於光入射面的焦平面上：假若光反射面在該焦平面上，則入射光會聚在光反射面的一點上。考慮最簡單的入射光沿螢幕法線入射的情況(入射角為0°)，則光線被光反射面反射後，經光入射面出射，出射光還是沿螢幕法線方向平行出射，根本沒有改變光的角度。其次，假若光反射面到光入射面的距離大於光入射面的焦距，則在透明微結構中，光在到達光反射面之前就會聚了，會聚後的光以發散光的形式入射到光反射面，被反射後進一步發散，使得許多光無法到達光入射面；而且此種情況，意味著要麼 光入射面的曲率大(加工難、光學設計難、容易脫離近軸光學範疇)，要麼光入射面到光反射面的距離大(意味著螢幕加厚)。本發明將光反射面設置在光入射面的焦距範圍內，目的是實現這樣的模型──點光源的物距小於凸透鏡的焦距，從而存在一個點光源的像，光相當於從該點光源像發出，必然是發散的。

以上是本發明的核心思想，為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的原理以及具體實施方式做詳細的說明。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

下面結合本發明實施例中透明微結構的一種示意圖對本發明投影螢幕對出射光的出射角度範圍進行調整的原理進行詳細描述。

對於本發明所述透明微結構陣列中的一透明微結構，存在穿過該透明微結構且同時平行於第一方向和螢幕法線的平面，請參考圖1，圖1為本發明實施例提供的一種投影螢幕透明微結構的光路示意圖，如圖1所示，透明微結構包括一光入射面101、一光反射面102，其中，該光入射面101 具有透明微結構的光入射面的焦距f，其寬度為d，該光反射面102到焦平面106的距離h。

假設入射光在第一方向與螢幕法線109所成的第一平面內的入射角為α(入射角指入射光與投影螢幕法線的夾角，入射光在該第一平面內的入射角指入射光束在該第一平面內的投影與螢幕法線的夾角)，在該第一平面內，入射光經透明微結構後形成的出射光，包括分別位於螢幕法線兩側的第一出射光和第二出射光，第一出射光對應以第一出射角射出，第二出射光對應為第二出射角，螢幕出射光的出射角度範圍對應為最大的第一出射角γ和最大的第二出射角β之間的角度範圍，因此由最大的第一出射角γ和最大的第二出射角β描述投影螢幕的出射光的出射角度範圍。

基於光學反射理論，根據入射光的入射角α，通過相應設計透明微結構的光入射面的焦距f，光入射面的寬度d，光反射面到光入射面的焦平面106的距離h，可以控制投影螢幕出射光的第一出射角和第二出射角的範圍，從而控制和調整投影螢幕形成的出射光在第一方向與螢幕法線109所形成的第一平面內的出射角度範圍。

請參考圖2，圖2為投影螢幕懸掛後豎直方向的角度範圍示意圖。如圖2所示，在實際應用中，該第一方向可以是投影螢幕懸掛後的豎直方向，在投影螢幕107懸掛後豎直範圍內，螢幕出射光對應於觀看區域具有一定角度範圍，通過投影螢幕107表面結構可控制螢幕出射光在豎直範圍的出射角度範圍，使在螢幕豎直範圍內螢幕的出射光對應於觀看區域。

請繼續參考圖3，圖3為投影螢幕懸掛後水準方向的角度範圍示意圖。如圖3所示，第一方向也可以是投影螢幕懸掛後的水準方向， 通過投影螢幕表面結構可實現控制螢幕出射光在水準範圍內的出射角度範圍，使在水準範圍內螢幕出射光對應於觀看區域。

在本發明的一種具體實施例中，可參考圖1，該光入射面101的焦距小於光入射面101到光反射面102距離的兩倍，這樣，保證折射光經該光反射光面102形成的透明微結構的光入射面的焦距f，點光源的像也必然在透明微結構內(即螢幕內部)，是一個虛像，從而可以利用點光源的虛像與光入射面邊緣的位置關係控制出射光在第一方向的角度範圍。假若光入射面101的焦距大於光入射面101到光反射面102距離的兩倍，則必然導致出射光在螢幕與觀眾之間形成點光源的實像，這樣會造成

出射光角度過大、難以控制角度範圍；

在該點光源的實像位置附近，灰塵等空氣中的顆粒物可能會對該集中的光線造成極大的影響，嚴重影響觀影體驗。

本發明投影螢幕，其投射面設置有矩陣式排布的透明微結構陣列，基於透明微結構具有特定尺寸設計的光入射面和光反射面，能夠調整螢幕出射光在第一方向與螢幕法線所形成平面內的出射角度範圍，並保證在第二方向與螢幕法線所形成第二平面內螢幕出射光的出射範圍，實現對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。如果將出射角度範圍對應於觀看區域，則實現了對對應於觀看區域的出射光增益的作用，能夠提高觀看者觀看到螢幕圖像的亮度。

下面結合附圖詳細描述本發明投影螢幕的幾種具體實施例。

請參考圖4，圖4為本發明實施例提供的一種投影螢幕表面結構的示意圖。如圖4所示，在本發明投影螢幕的一種具體實施例中， 該表面結構包括矩陣式排布的透明微結構100陣列以及反射層103，其中透明微結構100包括光入射面101和光反射面102。

所述光入射面101為主軸與第二方向平行的圓柱面，對入射光具有會聚作用，具有預設透明微結構的光入射面的焦距f，沿第一方向的寬度d。光反射面102位於光入射面101的焦距範圍內，光反射面102為曲面形，設置有反射層103。圓柱面的主軸即為該圓柱面對應的圓柱體的軸線，也即平行於圓柱面的線。這裡的透明微結構的光入射面的焦距f認為是近軸光學下圓柱面上的圓弧的焦距，不限於嚴格意義上的作為“點”的焦點。

在本發明的另一種實施例中，光入射面101也可以替換為主軸與第二方向平行的拋物柱面，拋物柱面的主軸即為平行於拋物柱面的線。

當入射光經圓柱面或者拋物柱面的光入射面101折射進入透明微結構，被聚焦並經反射後再次由光入射面101折射出形成出射光，所形成出射光的反向延長線在透明微結構內會聚為一個點光源的虛像，出射光可看作是由該點光源發出的光經光入射面射出，因此通過調整光入射面的焦距和沿第一方向的寬度、透明微結構的厚度可以調整螢幕出射光在第一方向與螢幕法線109所形成第一平面內的出射角度範圍。

基於曲面形的光反射面102能擴大出射光在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面內的出射角度範圍。

請繼續參閱圖5A與圖5B，其中，圖5A為本發明一種實施例中透明微結構沿第一方向和螢幕法線所成平面的截面圖，該圖5B為圖5A所示透明微結構沿第二方向和螢幕法線所成平面的截面圖。如圖所示，在本實施例透明微結構的一種結構設計中，該光反射面102為主軸與第一方向平行的圓 柱面，或者，該光反射面102也可以是主軸與第一方向平行的拋物柱面。光反射面102的焦點位於透明微結構內，這樣在第二方向與螢幕法線所形成的平面內，折射光被會聚，再次經光入射面101折射出，形成的出射光的最大出射角大於入射角，保證了在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面的出射角度範圍。

在實際應用中，根據投射光到達投影螢幕的入射角，相應設計透明微結構的光入射面的焦距f，光入射面沿第一方向的寬度d，光反射面到光入射面的焦平面106的距離h，以及光反射面的焦距f’，可以控制調整螢幕出射光在第一方向與螢幕法線108所形成的第一平面內的出射角度範圍，同時保證螢幕出射光在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面內的出射角度範圍，實現以一定入射角的入射光經螢幕反射後在預設角度範圍內出射，實現對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。

在上述實施例中，透明微結構為對稱設計，即圓柱面形或拋物柱面形的光入射面101的對稱中軸與螢幕法線平行，圓柱面形或拋物柱面形的光反射面102的對稱中軸與螢幕法線平行。這種結構設計，參考圖1所示，由於入射光為傾斜入射，即具有一定的入射角，因此在第一方向與螢幕法線109所形成的第一平面內，入射光經投影螢幕透明微結構後形成的出射光，形成的位於螢幕法線一側的第一出射光的出射角γ的角度範圍，總大於位於螢幕法線另一側的第二出射光的出射角β的角度範圍，但在實際應用中，有時需要最大第二出射角β的範圍大於最大第一出射角γ的範圍。基於此，在本發明投影螢幕的另一種具體實施例中，為更靈活適應出射角度範圍需求，透明微結構可採用非對稱設計。

請繼續參閱圖6A，圖6A為本發明又一種實施例中透明微結構沿第一方向和螢幕法線所成平面的截面圖。如圖6A所示，具體的，作為光入射面101的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行；或者，可參考圖7，圖7為本發明又一種實施例中透明微結構沿第二方向和螢幕法線所成平面的截面圖。如圖7所示，作為光反射面102的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行。或者，作為光入射面101的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行，同時作為光反射面102的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行。

請參考圖6B，圖6B為圖6A所示透明微結構的光路示意圖，如圖6B所示，對於作為光入射面101的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行的實施例，即為在穿過該透明微結構且同時平行於第一方向和螢幕法線109的平面內的光路示意圖。光入射面101的對稱中軸110與螢幕法線109不平行，具有一定夾角，在第一方向與螢幕法線所形成的第一平面內，光入射面的焦點位置會隨之移動，相應的，所形成的出射光的反向延長線會聚形成的點光源的像的位置，也相應移動，因此通過調整光入射面101的對稱中軸110與螢幕法線109的夾角，改變點光源的像與光入射面的位置關係，可靈活控制所形成的第一出射光和第二出射光的角度範圍，例如，可以實現最大第二出射角β的範圍大於最大第一出射角γ的角度範圍。

對於作為光反射面102的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行的實施例，在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面內，通過調整光反射面102的對稱中軸110與螢幕法線109的夾角，改變光反 射面的焦點在透明微結構內的位置，可控制和調整出射光在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面內的發散角範圍。

對於作為光入射面101的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行，同時作為光反射面102的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸110與螢幕法線109不平行的實施例，通過改變光入射面101的對稱中軸110與螢幕法線109的夾角，改變點光源的像與光入射面的位置關係，可控制所形成的第一出射光和第二出射光的角度範圍，同時通過調整光反射面102的對稱中軸110與螢幕法線109的夾角，可改變光反射面的焦點位置，可相應調整出射光在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面內的出射角度範圍。

進一步的，在本發明的另一種具體實施例中，對稱中軸110與入射光方向的夾角小於螢幕法線109與入射光方向的夾角，該技術方案可以使出射光的出射角沿螢幕法線109兩側的兩個方向分佈更為大小平均。

這裡較好理解的是，圓柱面的對稱中軸110，即為在垂直於上述圓柱面主軸的平面內，平分圓柱面在該平面內的圓弧且過圓心的線；而拋物柱面的對稱中軸110，即為在垂直於上述拋物柱面主軸的平面內，過拋物柱面在該平面內的抛物線頂點和焦點的線。

這種不對稱設計便於更自由地結合入射角調整出射光的出射範圍，可以擴展設計的自由度，可以設計出適宜更多入射角和出射角要求的情況。

請參閱圖8，圖8為本發明又一實施例提供的一種投影螢幕表面結構的示意圖。如圖8所示，在本發明投影螢幕的其它具體實施例中，在上述各具體實施例的基礎上，該透明微結構還包括連接該光入射面101和該光反 射面102的一側面104，該側面104與預設入射角度的入射光經該光入射面101端邊折射形成的折射光平行，該側面104設置有一光吸收體105。

一個透明微結構可以具有一個或多個呈曲面或平面的側面，存在一平行入射光，該平行入射光在光入射面101與任一側面連接的邊形成的折射光都平行於該側面。

本實施例中，光吸收體105填充在相鄰該透明微結構100的側面104之間。

當入射角為其它角度的雜散光照射到透明微結構內，尤其是大角度雜散光，其折射光線會偏折射到側面，會被側面的光吸收體吸收。

因此，該透明微結構具有側面，側面設置有光吸收體，能夠將雜散光吸收，使雜散光不會出射到要求的出射角度範圍內，若出射光的出射角度範圍對應於觀看區域，可以使出射到觀看區域的雜散光減少，從而可增強觀看者觀看到螢幕圖像的對比度。

對於本實施例透明微結構陣列中的一透明微結構，在穿過該透明微結構且同時平行於第一方向和螢幕法線109的第一平面上，根據光學反射理論推導，沿該第一平面的截面滿足以下關係式，當tan α

-

時，

當tan α

-

時，

當tan θ

-tan α時，

當tan θ

-tan α時，

其中，f為該透明微結構的光入射面的焦距，d為光入射面沿第一方向的寬度，h為光入射面到光反射面的距離，α為入射光在第一平面的入射角，θ 為側面與螢幕法線109的夾角，γ為入射光對應的出射光在第一平面的最大的第一出射角，β為入射光對應的出射光在第一平面的最大的第二出射角，第一出射角對應的出射光與第二出射角對應的出射光分別位於螢幕法線109的兩側。

因此，通過設計透明微結構的光入射面的焦距f、光入射面沿第一方向的寬度d、光反射面到焦平面106的距離h以及側面與螢幕法線109的夾角θ可以相應控制螢幕出射光在第二方向與螢幕法線109所形成的第二平面內的第一出射角和第二出射角，以控制和調整投影螢幕形成的出射光在第二平面內的出射角度範圍。

本發明所述投影螢幕，其透明微結構的光入射面也可採用球面形或抛物面形設計，使得光入射面可以同時調節第一方向和第二方向的出射角範圍。具體的，在本發明投影螢幕的又一種具體實施例中，投影螢幕包括螢幕本體和設置在螢幕本體投射面上的表面結構，該表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列和反射層。其中，透明微結構包括光入射面和光反射面。

所述光入射面為對入射光具有會聚作用的、具有預設焦距的球面或者抛物面，其沿第一方向和第二方向的寬度為預設值。光反射面為位於光入射面的焦距範圍內的曲面，在光反射面設置有反射層。其中，該第一方向和第二方向平行於螢幕平面且相互垂直。本發明的球面的焦點和焦距為近軸光學意義上的焦點和焦距。

在任意平行於螢幕法線的平面範圍內，當入射光經光入射面折射進入透明微結構，被聚焦並經光反射面反射後再次由光入射面折射出形成 出射光，所形成出射光的反向延長線在透明微結構內會聚為一個點光源的虛像，出射光可看作是由該點光源發出的光經光入射面射出，因此利用點光源的虛像與光入射面邊緣的位置關係控制出射光在任意平行於螢幕法線的平面內的角度範圍，通過調整光入射面的焦距和寬度、透明微結構的厚度調整螢幕出射光的出射角度範圍。

在本實施例中的球面和抛物面實際與上述實施例中的圓柱面和拋物柱面對出射光角度的調節原理是相同的，所不同的是球面和抛物面調節兩個方向的出射角，而圓柱面和拋物柱面只調節一個方向的出射角。球面和抛物面為圓弧和抛物線的旋轉體，而圓柱面和拋物柱面為圓弧和抛物線的柱面。因此，本發明中的球面和抛物面在任意切面上的圓弧和抛物線及其對應的透明微結構其他部分，都可以參照上述實施例中圓柱面和拋物柱面中沿垂直於柱面方向的切面的設計規則。

在本實施例透明微結構的一種實施方式中，光入射面的焦距小於光入射面到光反射面距離的兩倍。具體原理與上述描述相似，此處不再贅述。

在本實施例透明微結構的一種結構設計中，光反射面同樣為球面或者抛物面，球面形或者抛物面形的光反射面的焦點位於透明微結構內。在任意平行於螢幕法線的平面內，折射光經光反射面反射被會聚，再次經光入射面折射出，形成的出射光的最大出射角會大於入射角，擴大了出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的發散角，保證了出射光的出射範圍。

在本實施例中，光入射面和光反射面都同時調節了相互垂直的第一方向和第二方向上的出射光角度範圍。其中光反射面對兩個方向的出射光角度調節作為光入射面調節的補充，加強了微結構對出射角的放大功能。假若只用球面或抛物面形的光入射面進行調節，而光反射面採用平面反射面設計，則達到相同的效果需要加大光入射面的曲率，這將可能導致光學設計不符合近軸光學的設計或者導致單個微結構在螢幕上的面積減小、數量增多，使得螢幕製造複雜化。當然，在一些應用場景下，也可以採用光入射面為球面或抛物面，而光反射面為平面的設計方案；同理，上述實施例中光入射面為圓柱面或拋物柱面的情況，也可以將光反射面設計為平面，這樣在製作螢幕時不需要對光反射面進行形狀加工。

在實際應用中，根據投射光到達投影螢幕的入射角，相應設計光入射面的焦距，光入射面的寬度，光反射面到光入射面的焦平面的距離，以及光反射面的焦距，來控制螢幕出射光的出射角度範圍，實現以一定入射角的入射光經螢幕反射後以預設角度範圍出射，實現對螢幕出射光在預設角度範圍內增益的效果。

在上述具體實施例中，透明微結構為對稱設計，即球面形或抛物面形的光入射面的對稱中軸與螢幕法線平行，球面形或抛物面形的光反射面的對稱中軸與螢幕法線平行。球面或抛物面的對稱中軸，即為其旋轉對稱軸。這種結構設計，正如上述描述中分析，入射光經投影螢幕透明微結構後形成的出射光，形成的位於螢幕法線一側的第一出射光的出射角γ的角度範圍總大於位於螢幕法線另一側的第二出射光的出射角β的角度範 圍，會對螢幕出射光的出射角度範圍的調整受到限制，不能滿足實際應用中的一些需求。

為解決這一問題，在本發明的另一種具體實施例中，作為光入射面的球面或抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行；或者作為光反射面的球面或者抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行；或者作為光入射面的球面或者抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行，同時，作為光反射面的球面或者抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行。採用這種不對稱設計便於更自由地結合入射角調整出射光的出射範圍，可以擴展設計的自由度，可以設計出適宜更多入射角和出射角要求的情況。

進一步的，在本發明的一個實施例中，對稱中軸與入射光方向的夾角小於螢幕法線與入射光方向的夾角，該技術方案可以使出射光的出射角沿各個方向分佈更為大小平均。

在本發明投影螢幕的其他實施例中，也可以將上述實施例相結合，得到光入射面為調節第一方向和第二方向兩個方向出射角的球面或抛物面，而光反射面為調節第二方向光出射角的圓柱面或拋物柱面的技術方案；與之類似，還包括光入射面和光反射面各自為圓柱面、拋物柱面、球面或抛物面中的任一個的自由組合。

在本發明投影螢幕的其他實施例中，光入射面和光反射面中的至少一個為自由曲面，根據具體情況設計該自由曲面的形狀，這樣進一步增加了設計自由度，對任意入射角和出射角的要求都可以設計滿足，可以廣泛滿足各種應用情況。

在本發明投影螢幕的其它具體實施例中，在上述各具體實施例的基礎上，該透明微結構還包括連接該光入射面和該光反射面的側面，該側面與預設入射角度的入射光經該光入射面端邊入射形成的折射光平行，該側面設置有光吸收體。

一個透明微結構可以具有一個或多個呈曲面或平面的側面，存在一平行入射光，該平行入射光在光入射面與任一側面連接的邊形成的折射光都平行於該側面。其中，光吸收體可以是填充在相鄰該透明微結構的側面之間。

這樣，當入射角為其它角度的雜散光照射到透明微結構內，其折射光線會偏折射到側面，會被側面的光吸收體吸收。因此，該透明微結構具有側面，側面設置有光吸收體，能夠將雜散光吸收，使雜散光不會出射到要求的出射角度範圍內，若出射光的出射角度範圍對應於觀看區域，可以使出射到觀看區域的雜散光減少，從而可增強觀看者觀看到螢幕圖像的對比度。

從螢幕的製造成本和製造難易度方面考慮，可以選擇採用螢幕上的透明微結構完全一致的技術方案，這種設計也能夠滿足一定的觀影要求。然而，對於投影螢幕，其平面面積一般比較大，而投影機108放置位置相對螢幕固定，因此投影機108照射到螢幕表面的入射光，照射在螢幕表面不同區域的入射角度會不同，相對觀看區域的出射角度範圍也不同。

基於此，在本發明投影螢幕的另一種具體實施例中，設置在螢幕本體投射面的表面結構至少包括第一區域和第二區域，該第一區域的透明微結構的光入射面的主光軸與該第二區域的透明微結構的光入射面的主光 軸不平行。這裡的光入射面的主光軸過光入射面的焦點，且沿主光軸入射的光不發生折射。

對於投影螢幕的第一區域和第二區域，入射光以不同入射角入射，位於第一區域的透明微結構和位於第二區域的透明微結構的尺寸設計不同，第一區域的透明微結構的光入射面的主光軸與第二區域的透明微結構的光入射面的主光軸不平行，使第一區域和第二區域的透明微結構對入射光可達到不同的出射角度調整效果，所形成出射光對應不同的出射範圍，以滿足對投影螢幕不同區域出射光的出射角度範圍的要求。

具體到上述實施例中，光入射面為圓柱面、拋物柱面、球面或抛物面，和/或光反射面為圓柱面、拋物柱面、球面或抛物面的情況，可以根據具體影院、投影場景的佈置，進一步細化第一區域和第二區域的光入射面和/或光反射面的區別設計。例如，使第一區域和第二區域的光入射面的主光軸和/或對稱中軸分別沿不同方向設置。

例如，第一區域可對應於投影螢幕的中部區域，第二區域對應於投影螢幕的邊緣區域，根據照射在螢幕中部區域和邊緣區域的投射光不同的入射角度以及對應要求的出射角度範圍，來分別設計不同區域透明微結構的尺寸。

可以理解的是，在實際應用中，為適應更多應用需求，可對投影螢幕的表面結構劃分更多區域，根據投射光在投影螢幕不同區域以不同的入射角入射，對應不同區域分別設計透明微結構，來分別對應調整螢幕出射光的出射範圍。

必須加以強調的是，以上對本發明所提供的一種投影螢幕進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。

100:透明微結構

101:光入射面

102:光反射面

103:反射層

Claims (14)

1. 一種投影螢幕，包括一螢幕本體，其中，還包括設置在該螢幕本體投射面上的表面結構；該表面結構包括矩陣式排布的透明微結構陣列以及反射層，其中，該透明微結構包括：對入射光具有會聚作用且具有預設焦距的光入射面，該光入射面的沿第一方向的寬度為預設值，該光入射面用於調整出射光在第一方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第一方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角；位於該光入射面的焦距範圍內的、曲面形的光反射面，在該光反射面設置有該反射層，該光反射面用於調整出射光在第二方向與螢幕法線所形成的平面內的方向，使得出射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的最大出射角大於入射光在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內的入射角；該第一方向和該第二方向平行於螢幕平面且相互垂直；在該第二方向與螢幕法線所形成的平面內，所述光反射面具有一焦點，且該焦點位於所述透明微結構內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的投影螢幕，其中，該光入射面的焦距小於光入射面到光反射面距離的兩倍。
3. 如申請專利範圍第1項所述之投影螢幕，其中，該光入射面為主軸與該第二方向平行的圓柱面或拋物柱面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之投影螢幕，其中，該光反射面為主軸與該第一方向平行的圓柱面或拋物柱面。
5. 如申請專利範圍第4項所述的投影螢幕，其中，作為光入射面的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸與螢幕法線不平行。
6. 如申請專利範圍第4項所述的投影螢幕，其中，作為光反射面的圓柱面或拋物柱面的對稱中軸與螢幕法線不平行。
7. 如申請專利範圍第1項所述的投影螢幕，其中，該光入射面為對入射光具有會聚作用且具有該預設焦距的球面或者抛物面。
8. 如申請專利範圍第7項所述的投影螢幕，其中，該光反射面為球面或抛物面。
9. 如申請專利範圍第8項所述的投影螢幕，其中，作為光入射面的球面或抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行。
10. 如申請專利範圍第8項所述的投影螢幕，其中，作為光反射面的球面或抛物面的對稱中軸與螢幕法線不平行。
11. 如申請專利範圍第1-10項中的任一項所述的投影螢幕，其中，該透明微結構還包括連接該光入射面和該光反射面的側面，該側面與預設入射角度的入射光經該光入射面端邊入射形成的折射光平行，該側面設置有光吸收體。
12. 如申請專利範圍第11項所述的投影螢幕，其中，對於所述透明微結構陣列中的一透明微結構，存在穿過該透明微結構且同時平行於第一方向和螢幕法線的第一平面，該透明微結構沿該第一平面的截面滿足以下關係式：當tan α

    

    -

    

    時，

    

    當tan α

    

    -

    

    時，

    

    當tan θ

    

    -tan α時，

    

    當tan θ

    

    -tan α時，

    

    其中，f為該透明微結構的光入射面的焦距，d為光入射面沿第一方向的寬度，h為光入射面到光反射面的距離，α為入射光在第一平面的入射角，θ為側面與螢幕法線的夾角，γ為入射光對應的出射光在第一平面的最大的第一出射角，β為入射光對應的出射光在第一平面的最大的第二出射角，第一出射角對應的出射光與第二出射角對應的出射光分別位於螢幕法線的兩側。
13. 如專利申請範圍第11項所述的投影螢幕，其中，該光吸收體填充在相鄰該透明微結構的側面之間。
14. 如專利申請範圍第1項所述的投影螢幕，其中，該表面結構至少包括一第一區域和一第二區域，該第一區域和該第二區域分別對應於所述投影螢幕的中部區域和邊緣區域，使得位於該第一區域的該透明微結構的光入射面的主光軸與位於該第二區域的該透明微結構的光入射面的主光軸不平行。

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