屏幕和投影显示系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种屏幕，用于将投影机投射到其表面的图像光反射从而使观众看到图像。该屏幕包括微棱镜阵列，微棱镜阵列中的微棱镜包括镀有反射膜的第一表面，该第一表面用于接收照射到其表面的部分图像光并将其反射形成该微棱镜的出射光。对于从第一特定位置的投影机投射出来的图像光，每个微棱镜的出射光汇聚于第二特定位置。本发明还提出一种投影显示系统，上述的屏幕，还包括投影机，投影机位于屏幕的第一特定位置。利用本发明提出的屏幕，将投影机摆放在屏幕的第一特定位置，该屏幕就可以将投影机所投射出来的所有光都定向的投向第二特定位置从而避免了光线的发散，只要人眼在这个第二特定位置附近观看就可以看到高亮度的图像。
【专利说明】屏幕和投影显示系统
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及显示【技术领域】，特别是涉及一种屏幕和使用这种屏幕的投影显示系统。
[0003]【背景技术】
[0004]投影显示目前已经得到了越来越多的应用。投影显示的原理是，利用投影机将图像光投射到一个屏幕上，该图像光在该屏幕上被散射，其中部分被散射的图像光被人眼所接收，在人眼看来这些图像光就如同是屏幕上发出来的，这样屏幕上就形成了图像。
[0005]投影显示分为正投和背投。正投即投影机与观众在屏幕的同一侧，背投即投影机与观众在屏幕的相对的两侧。对于正投来说，屏幕的作用在于散射和反射图像光，对于背投来说，屏幕的作用则在于散射和透射图像光。目前一般来说正投的形式比较多。
[0006]目前市场上出现了微投影的产品，即将投影微型化，甚至与手机等移动设备集成在一起。这样的好处显然是便携，但问题在于微型的投影亮度很低，不能满足一般的应用。目前的解决方案是努力的提升微投影产品的发光亮度，但是在技术上遇到的阻力很大，同时即使提高了亮度，由于耗电量很大电池的续航时间将成为瓶颈。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明提出一种屏幕，用于将投影机投射到其表面的图像光反射从而使观众看到图像。该屏幕包括微棱镜阵列，微棱镜阵列中的微棱镜包括镀有反射膜的第一表面，该第一表面用于接收照射到其表面的部分图像光并将其反射形成该微棱镜的出射光。对于从第一特定位置的投影机投射出来的图像光，每个微棱镜的出射光汇聚于第二特定位置。
[0009]本发明还提出一种投影显示系统，上述的屏幕，还包括投影机，投影机位于屏幕的第一特定位置。
[0010]利用本发明提出的屏幕，将投影机摆放在屏幕的第一特定位置，该屏幕就可以将投影机所投射出来的所有光都定向的投向第二特定位置从而避免了光线的发散，只要人眼在这个第二特定位置附近观看就可以看到高亮度的图像。
[0011]
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明中屏幕的工作原理的一个实施例；
图2是图1实施例中屏幕的正视图的举例；
图3是图1实施例中屏幕的另一个正视图的举例 图4是图1实施例中屏幕使用了散射层的结构示意图；
图5是图4所示的屏幕结构的一种变形；
图6是散射层的一种结构示意图；
图7是本发明另一个实施例的结构示意图；
图8a是棱锥形的微棱镜的立体视图；
图8b是棱锥形微棱镜的俯视图；
图8c是多个棱锥形微棱镜所组成的微棱镜阵列的示意图；
图9a是曲面的微棱镜的工作原理的示意图；
图％是多个子微棱镜作为一个整体的工作原理的示意图；
图9c是有多个小平面拼接而成的微棱镜的工作原理示意图。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]本发明的屏幕的第一实施例的结构如图1所示。屏幕包括基底101和微棱镜阵列，该微棱镜阵列包括一系列微棱镜，图中所示的微棱镜102、103和104是其中的几个举例。需要说明的是，图中为了方便说明把微棱镜的相对尺寸画的很大，实际中其相对于整个屏幕的尺寸是很小的。
[0015]在本实施例中，投影机121发出的载有图像信息的光(图像光)照射在整个屏幕上，投影机121的发光以光线161、163和165来示意，屏幕将这些图像光反射到观看者141的眼睛中。
[0016]以位于屏幕上方的微棱镜102为例进行说明。微棱镜102包括镀有反射膜的第一表面102a，该第一表面102a用于接收照射到其表面的部分图像光161并将其反射形成该微棱镜102的出射光162。可以理解，控制微棱镜102的形状，具体来说是控制第一表面102a的法线方向，就可以控制该出射光162的出射方向，使其入射于观看者141的眼镜。
[0017]同样的道理，位于屏幕下方的微棱镜103和位于屏幕中部的微棱镜104，也可以通过控制其形状，来分别反射入射到它们表面的部分图像光163和165并形成出射光164和166，这些出射光164和166分别入射于观看者141的眼镜。
[0018]因此本实施例中屏幕上的不同位置的微棱镜的作用在于，将从位于第一特定位置的投影机投射出来的图像光反射形成各自的出射光，这些出射光汇聚于观看者所在的第二特定位置。这样，相对于传统的屏幕对入射图像光的完全散射，在本实施例中，只要观看者在第二特定位置观看，大部分图像光就可以汇聚于观看者的眼睛中，其观看起来的亮度要远高于使用传统屏幕的亮度。
[0019]图2是本实施例中屏幕的正视图，其中多条平行线(线条202是其中一条的示例)中的每一条代表一个条形的微棱镜的一条棱边，这条棱边也是这个微棱镜的第一表面的一条边。可见，在本实施例中，条形的微棱镜沿屏幕的水平方向延伸，每个微棱镜的横截面是一个三角形，该三角形在屏幕外的顶点就在冷边上。各微棱镜沿屏幕竖直方向排列，每个微棱镜的形状都各不相同。在本实施例中，优选的，各微棱镜之间是紧密排列的，这样可以最大程度的利用屏幕的面积以提高效率。
[0020]图1和图2所示的实施例中存在一个问题:沿屏幕水平方向延伸的微棱镜能够控制出射光线在屏幕的上下方向上的出射角度，但是很难控制光线在屏幕左右方向上的出射角度。例如图2中所示的，投影机位于屏幕的中部，其发出的图像光261入射于屏幕上的某一个微棱镜的右侧，反射光262 —定是向右侧出射的；同时，投影机发出的另一束图像光263入射于屏幕上的某一个微棱镜的左侧，反射光264 —定是向左侧出射的。这样反射光262和264在左右方向上难以实现汇聚。为了解决这个问题，屏幕还包括散射层，如图4所示。在图4中，基底401上有微棱镜阵列402，在微棱镜阵列402表面镀有反射层，例如但不限于镀有铝反射层。在微棱镜阵列402上还包括散射层403，投影机投射的图像光先入射于散射层中散射一次，被为棱镜阵列402反射后在散射层中再散射一次。这样可以使得微棱镜的出射光在左右方向上被散射为相当大的角度范围。在这种情况下，图2中的出射光262和出射光264就会存在照射角度相交汇的区域，这个区域就是观看者所在的第二特定位置。若出射光262和264在水平方向上的散射程度较大，则二者交汇的区域将呈现沿水平方向的条形，这个条形范围就是该屏幕的第二特定位置，观察者在这个范围内都可以看到闻売度的图像。
[0021]在图4所示的实施例中，散射层403既起到散射光的作用，同时也起到保护微棱镜阵列402表面镀的反射层的作用。该散射层的实现方法有多种，例如在透明材料(例如有机玻璃PMMA或PC)中超入不同折射率的微小颗粒，再例如在透明材料表面或微棱镜的第一表面(事实上可以是屏幕反射光的光路中的任何一个表面)上加工规则的或不规则的微小凸起或凹陷，这都是成熟的技术，此处不赘述。
[0022]在图4所示的实施例中，虽然引入散射层403可以解决光线在水平方向上难以交汇的问题，但是散射的太严重则会大幅度的降低观看的亮度，因此优选的，散射层对光线的散射具有选择性，在屏幕水平方向上的散射角度大于在竖直方向上的散射角度。这样在竖直方向上仍然散射较小，光线在竖直方向上得以集中和汇聚(如图1所示的)，此时可以得到高亮度的图像。经过计算发明人发现，散射层在屏幕竖直方向上的散射半角为30度时，本发明的屏幕相对于传统屏幕来说就有4倍的亮度增益，因此只要散射层在屏幕竖直方向上的散射半角不大于30度，就可以保证得到相当亮度的图像。
[0023]为了实现有选择性的散射，图6给出了一种方法的示意。图6中，603为散射层，散射层603表面有散射微结构603a,该微结构603a是沿着垂直纸面方向延伸的柱面，图中只画出了该柱面的横截面。图6中以平面602示意了某一个微棱镜的第一表面。对于屏幕的这一个微小的局部来说，投影机投射出来的图像光661和663为几乎平行的，这两束光经过微结构603a的透射后入射于微棱镜的第一表面602,被其反射后再次被微结构603a透射，此时形成的两束出射光662和664在垂直于微结构603a的延伸方向上的出射角度有不再是平行的而是具有一个夹角，同时在平行于微结构603a的延伸方向上的出射角度仍保持平行。因此，柱面的微结构603a就实现了在图6中水平方向上的散射同时不造成在垂直直面方向上的散射，实现了散射的选择性。
[0024]因此，为了实现在屏幕水平方向上的散射角度大于在竖直方向上的散射角度，散射层可以包括阵列排布或杂散排布的沿屏幕竖直方向延伸的多个柱面。其中柱面的横截面可以是圆形或原形的一部分，也可以是椭圆形或其它形状，甚至可以是不规则的形状。另一方面，在透明材料中掺入柱体，柱体也是阵列排布或杂散排布且沿屏幕竖直方向延伸，同样可以实现选择性散射的目的。[0025]在图2所示的实施例中，由于微棱镜是沿屏幕水平方向上的条形而使得光线在水平方向上的出射角度难以控制，除了使用散射层来解决这个问题以外，还可以使用延伸方向为弧形的微棱镜来解决这个问题，如图3所示。图3是图1所示的实施例中屏幕的另一种正视图的示例。其中多个线条(302是其中一个举例)中的每一条代表一个条形的微棱镜的一条棱边，这条棱边也是这个微棱镜的第一表面的一条边。可见条形的微棱镜的延伸方向呈弧形，该弧形的两端向屏幕的下端弯曲，各微棱镜沿屏幕竖直方向排列。投影机321位于屏幕的中部，它发出的图像光361入射于某一个微棱镜的右侧，由于微棱镜在这个位置是向下弯的，反射光362在水平方向上的出射角度也是向中心汇聚的，这样屏幕上不同位置的出射光都可以向中心汇聚，并最终汇聚在屏幕的第二特定位置。
[0026]可以理解，在图3所示的实施例中，同样可以使用散射层，此时的散射层可以是各向同性的散射层，也可以是如上面所述的有选择性的散射层。使用散射层的好处在于，屏幕上每一个位置的出射光都具有一定的发散角，此时的第二特定位置就不是一个点而是一个区域，在这个区域内的每个点都可以看到屏幕上各个位置的出射光，这样观看者在观看时就比较自由，观看效果对观看位置的轻微变化不敏感。
[0027]在上述实施例中，微棱镜阵列都是在基底的面向入射光的一侧，实际上也可以有其它的结构，如图5所示。图5所示的结构与图1所示的结构的区别在于，微棱镜阵列502直接加工在散射层501的表面，散射层501同时充当了基底的作用，微棱镜阵列502位于散射层(基底)的背向入射光的一侧。在该实施例中，为了保护为棱镜阵列502表面的反射层，还包括了保护层503。
[0028]在图1和图5所示的实施例中，有一个共同点:屏幕下方的微棱镜是下高上低，屏幕上方的微棱镜是上高下低。具体来说，屏幕下部的微棱镜对入射到其表面的光的反射方向相对于整个屏幕平面对入射光的反射方向更偏上，屏幕上部的微棱镜对入射到其表面的光的反射方向相对于整个屏幕平面对入射光的反射方向更偏下。其中整个屏幕平面指的是屏幕作为一个整体的平面。对于微投影的应用来说，微投影机所在的位置(屏幕的第一特定位置)一般与屏幕的下边缘平齐，而观察者眼镜所在的位置(屏幕的第二特定位置)一般在屏幕的上半部或者高出上半部，这就要求屏幕下部的微棱镜将几乎水平方向来的入射光(如图1中的图像光163)向上反射，因此屏幕下部的微棱镜对入射到其表面的光的反射方向相对于整个屏幕平面对入射光的反射方向更偏上。
[0029]而另一种情况是，屏幕本身的放置可以有一个倾角，如图7所示。图7中屏幕上部向后倾斜，屏幕依靠支架702支撑保持稳定。此时微棱镜阵列701就呈现了与图1中的微棱镜阵列不同的形态。图7中，屏幕下部的微棱镜和上部的微棱镜都是上高下低，这是因为由于屏幕的倾斜，整个屏幕平面就可以将近乎水平的入射光线向上反射到人眼中，因此屏幕下部的微棱镜对入射到其表面的光的反射方向相对于整个屏幕平面对入射光的反射方向变化不大甚至还会偏下。可以理解，优选的，屏幕的仰角可以调节，这样屏幕的第二特定位置就会跟随仰角的调节而上下移动，这方便观看者找到最合适的观看位置。
[0030]实际上无论是图1所示的棱镜阵列还是图7所示的棱镜阵列，从屏幕下部到屏幕的上部，微棱镜的变化都呈现“微棱镜下部逐渐变低，微棱镜上部逐渐变高”的过程。
[0031]在上述实施例中，微棱镜都是条形的，多个条形的微棱镜并排摆放形成微棱镜阵列。实际上微棱镜还可以是棱锥形，多个棱锥形的微棱镜组成一个二维阵列共同构成微棱镜阵列。棱锥形的微棱镜的立体示意图如图8a所示，其俯视图如图8b所示。其中801代表一个微棱镜，80Ia表不该微棱镜的第一表面。与上面描述的微棱镜的工作原理相同，通过控制微棱镜的形状，也就是控制微棱镜的第一表面801a的法线方向，可以控制出射光的方向。图8b中的微棱镜相互交错组成一个阵列形成微棱镜阵列，如图8c所不。图8c中，下面两个微棱镜之间的空隙，有它们后面的位于中间的微棱镜填补，使得对所有光线都可以有效的控制和利用。
[0032]在以上实施例中，所有的微棱镜的第一表面都是一个平面，即在图中表不为一条直线。然而，若将第一表面加工成曲面，可以得到更好的效果。如图9a所示。图9a中示意了一个条形微棱镜的截面图，其中曲线902为微棱镜的第一表面的截线上面实施例中所描述的直线，而直虚线901表不上面实施例中所描述的平面的第一表面的截线。对于一个微棱镜所在的局部来说，入射的图像光近乎平行光，光线961至965这五条光线是入射的平行光的举例。其中，入射的图像光963入射于第一表面902的中部，在这个位置第一表面902的法线方向与前面实施例中平面的第一表面901的法线方向相同，反射的出射光为光线968。若按照上面的实施例，平面的第一表面的所有反射光都具有与光线968—样的出射方向，但是应用图9a所示的实施例则不同。
[0033]例如，光线962入射于微棱镜中部偏下的位置，该位置法线方向相对于中部已经变化，其反射光967的方向比光线968更偏下出射；同样的，光线961入射于微棱镜下部的位置，其反射光966比反射光967的方向更偏下。同样道理，光线964入射于微棱镜中部偏上的位置，该位置法线方向相对于中部已经变化，其反射光969的方向比光线968更偏上出射；同样的，光线965入射于微棱镜下部的位置,其反射光970比反射光969的方向更偏上。这样，从第一表面902的反射光就不再是一束近乎平行的光，而是在屏幕的上下方向上具有一定发散角，发散角的大小由第一表面的设计决定，第一表面弯曲的越显著则发散角越大。
[0034]利用本实施例的具有曲面的第一表面的微棱镜的方法，可以将一束平行的入射图像光变成一个具有一定发散角度的出射光，其作用相当于散射，但是比散射更容易控制。可以理解，若第一表面在上下方向上弯曲，则相当于在上下方向上的散射，若第一表面在屏幕的左右方向上弯曲则相当于在屏幕左右方向上的散射，若在这两个方向上同时弯曲则在两个方向上同时产生散射效果，而且散射的程度可以通过第一表面在这个方向上的弯曲程度予以控制。例如，要想实现在屏幕水平方向上的发散角大于在屏幕竖直方向上的发散角，就可以另第一表面在水平方向上的弯曲程度大于其在竖直方向上的弯曲程度。
[0035]另外，第一表面弯曲还可以与上面提到的散射层相结合。例如微棱镜只在屏幕的上下方向上弯曲，以此来控制出射光在上下方向上的发散角度。同时结合有选择性的散射层，该散射层只在水平方向上对光线进行散射但是对竖直方向没有散射作用或只有微弱的散射作用。在这种情况下，由于两个维度的散射程度可以分别控制，这样对微棱镜的出射光的发散角度的控制就会更为精确。
[0036]在图9a所不的实施例中，微棱镜的第一表面为曲面实际上第一表面也可以由具有不同法线方向的小块平面拼接而成，使得该微棱镜的出射光具有预定的光分布，如图9c所示，其中微棱镜的第一表面有三块法线方向不同的小块平面921、922和923拼接而成，以此来近似一个连续的曲面，其效果也与连续的曲面相似。[0037]更进一步的，图9c所示的微棱镜还可以变形为如图9b所示的三个子微棱镜，这三个子微棱镜分别有自己的第一表面，其各自的第一表面的法线方向互不相同，其中第一表面924的法线方向与图9c中的小块平面921的法相方向相同，第一表面925的法线方向与图9c中的小块平面922的法相方向相同，第一表面926的法线方向与图9c中的小块平面923的法相方向相同。这样图9b所示的各子微棱镜作为一个整体的出射光的发散角也与图9c的相同，具有预定的光分布。当然，图9b中的三个子微棱镜，和图9c中的三个小块平面都是举例，具体的数量并不构成限制，只要大于等于2即可。
[0038]在本发明中，屏幕为柔软质地，这样可以使得它可以卷曲起来而方便携带。屏幕也可能为硬质地，由多块子屏幕拼接而成，从而在不使用的时候可以拆分开叠放在一起而方便携带。
[0039]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种屏幕，用于将投影机投射到其表面的图像光反射从而使观众看到图像，其特征在于: 包括微棱镜阵列，微棱镜阵列中的微棱镜包括镀有反射膜的第一表面，该第一表面用于接收照射到其表面的部分图像光并将其反射形成该微棱镜的出射光； 对于从第一特定位置的投影机投射出来的图像光，每个微棱镜的出射光汇聚于第二特定位置。
2.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于: 所述微棱镜呈条形，沿屏幕水平方向延伸，各微棱镜沿屏幕竖直方向排列；或者， 所述微棱镜呈条形，其延伸方向呈弧形，该弧形中心部分的切线方向为屏幕的水平方向，该弧形的两端向屏幕的下端弯曲，各微棱镜沿屏幕竖直方向排列；或者， 所述微棱镜阵列为一个二维阵列，其中微棱镜的形状为棱锥。
3.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于，屏幕下部的微棱镜对入射到其表面的光的反射方向相对于整个屏幕平面对入射光的反射方向更偏上，屏幕上部的微棱镜对入射到其表面的光的反射方向相对于整个屏幕平面对入射光的反射方向更偏下。
4.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于，还包括散射层，该散射层独立于屏幕的其它元件或者是其它元件的一部分，该散射层在屏幕竖直方向上的散射半角不大于30度。
5.根据权利要求3所述的屏幕，其特征在于，所述散射层在屏幕水平方向上的散射角度大于在竖直方向上的散射角度。
6.根据权利要求4所述的屏幕，其特征在于，所述散射层包括阵列排布或杂散排布的沿屏幕竖直方向延伸的多个柱面或柱体。
7.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于: 所述微棱镜的第一表面为曲面或由多个具有不同法线方向的小块平面拼接而成，使得该微棱镜的出射光具有预定的光分布； 或者，所述微棱镜包括η个相邻的子微棱镜，η大于等于2，子微棱镜的第一表面的法线方向互不相同，使得这η个子微结构作为一个整体的出射光具有预定的光分布。
8.根据权利要求1所述的屏幕，其特征在于，屏幕为柔软质地使得它可以卷曲起来；或者屏幕为硬质地，由多块子屏幕拼接而成。
9.一种投影显示系统，其特征在于: 包括权利要求1至8中任一项所述的屏幕，还包括投影机，投影机位于所述屏幕的第一特定位置。
10.根据权利要求9所述的投影显示系统，其特征在于，屏幕的仰角可以调节。
【文档编号】G02B5/04GK103809357SQ201310462397
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】吴震 申请人:吴震