一種投影屏幕及投影系統的制作方法

本發明涉及顯示技術領域，尤指一種投影屏幕及投影系統。

背景技術：

在背投顯示領域，尤其是背投顯示領域，通常采用具有菲涅爾微透鏡結構的投影屏幕，如圖1所示，沿投影鏡頭出光方向，依次經過菲涅爾透鏡結構層11和柱狀透鏡結構層12，使用時將投影機的焦距和投影屏幕的焦距匹配，可在投影屏幕上顯示畫面。具體光路圖如圖2所示，菲涅爾透鏡結構層11將入射至屏幕的光線進行會聚準直，柱狀透鏡結構層12中的凸透鏡部分接收準直光線并進行會聚，理論上在凸透鏡的焦平面上進行成像，并最終從柱狀透鏡結構層12以會聚后發散的狀態進行傳輸。

但在實際應用中，根據對投影屏幕后白場的測試結果，技術人員發現，在屏幕中心點，即水平視角為0處的色偏為0，而隨著水平視角的增大，產生的色偏也會隨之增大，以及，隨著垂直視角的增大，產生的色偏也會隨之增大，即隨著視角增加，產生不同程度的色偏，色偏的直接視覺表現就是白場不再是預設的色溫值了，而偏與某種基色顏色顯示，從而人眼在不同視角或不同位置觀看顯示畫面時存在圖像畫面顏色不一致，尤其是對于大屏拼接顯示中，對于白場使用較多的場景，例如大型會議室的PPT展示，不同視角或不同位置的色偏會大大降低用戶的體驗。

因此，如何有效減小投影屏幕在顯示畫面時產生的色偏成為亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種投影屏幕及投影裝置，用以減小投影屏幕顯示畫面時在不同視角下的色偏現象。

第一方面，本發明提供了一種投影屏幕，包括：沿投影鏡頭出光方向依次設置的菲涅爾透鏡層、柱狀透鏡層，還包括位于菲涅爾透鏡層和柱狀透鏡層之間的微透鏡層；

微透鏡層包括：多個呈陣列分布的第一微透鏡；

第一微透鏡為負透鏡，其中，第一微透鏡的色散系數小于柱狀透鏡層的柱狀透鏡的色散系數；

投影鏡頭的出射光線依次入射菲涅爾透鏡層、微透鏡層，并經過柱狀透鏡層后出射；

優選地，第一微透鏡為雙凹透鏡結構或平凹透鏡結構；

優選地，第一微透鏡與柱狀透鏡緊密貼合或者之間存在預設距離的間隙；

優選地，至少第一微透鏡的出光面表面為非球面；

優選地，第一微透鏡的材質為光學塑膠或光學玻璃；

優選地，第一微透鏡的色散系數在10~40之間；

優選地，柱狀透鏡的色散系數在40~80之間；

優選地，微透鏡層的厚度在100~300μm之間；

優選地，微透鏡層的各第一微透鏡一體成型或者各第一微透鏡單元通過光學膠膠合連接。

第二方面，本發明實施例提供一種投影系統，包括激光投影設備，還包括上述任一技術方案中的投影屏幕。

本發明以上實施例至少具有以下有益效果：

本發明實施例提供的投影屏幕，通過在屏幕結構的菲涅爾透鏡層和柱狀透鏡層之間設置呈陣列分布的第一微透鏡組成的微透鏡層，第一微透鏡為負透鏡，具有負光焦度，產生正色差，柱狀透鏡層為正透鏡，具有正光焦度，產生負色差。從而通過不同材料的正、負透鏡組合，正色差與負色差相互配合來校正色差，即達到消色差的目的，使三束光線能更好的匯聚。三束光在人眼觀看時空間上是重合的，因而不會造成隨視角的色偏。以及，通過設置第一微透鏡的色散系數小于柱狀透鏡的色散系數，從而第一微透鏡對光束進行較大偏折程度的發散，且各基色光發散的程度也不同，發散后的光束進入柱狀透鏡層后進行較小偏折程度的會聚，以對入射光束中不同波長的各基色光在第一微透鏡中發生的偏折差異進行反向偏折的過程中進行補償，且柱狀透鏡對各基色光進行反向偏折補償的程度也不同，能夠減小光束會聚時光束的偏折差異，使得最終三基色光實現再次會聚時光線偏折的角度接近，更容易達到會聚于一點，提高了三基色光的重合度， 從而減小白光W經過投影屏幕后的空間能量分布變化，從而使得白光在不同視角下的色偏降低，提升顯示色彩的一致性。

以及本發明實施例方案還提供了一種投影系統，應用上述技術方案的投影屏幕，從而能夠降低色偏現象，提升投影畫面顯示色彩的一致性，也提升了用戶體驗。

附圖說明

圖1為現有技術中投影屏幕的結構示意圖；

圖2為現有技術中投影屏幕的光路圖；

圖3為本發明實施例中投影屏幕的結構示意圖；

圖4A為圖3實施例的光束經過屏幕的光路示意圖；

圖4B為本發明實施例中另一種光束經過屏幕的光路示意圖；

圖5為現有技術投影屏幕中測得的色偏變化圖示；

圖6為現有技術中三基色色偏變化圖示；

圖7為本發明實施例投影系統結構示意圖。

具體實施方式

本發明實施例提供一種投影屏幕及投影系統，用以減小投影屏幕在顯示畫面時產生的白光在不同視角下的色偏。

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面結合附圖詳細介紹本發明具體實施例提供的投影屏幕及應用該投影屏幕的投影系統。

實施例一、

現有技術中投影屏幕采用柱透鏡時會在屏幕的不同位置產生白場色偏，分別以LED光源以及激光光源為例的背投投影機進行測試，得到如圖5所示的不同投影光源投影到投影屏幕時色偏隨視角變化示意圖。

研究人員發現，這是由于白光中的不同基色光（紅光R、綠光G、藍光B）的波長不同，在經過投影屏幕中的柱透鏡時的折射率不同進而導致白光經過屏幕后的空間能量分布發生了變化。圖為6白光W經過投影屏幕的菲涅爾透鏡層和柱狀透鏡層后各基色光隨視角的亮度變化示意圖，其中，藍光B波長最短，折射率最大，相對亮度變化相對較慢，經過屏幕后的空間能量分布更寬廣，而波長最長的紅光R因為折射率最小所以經過屏幕后的空間能量分布角度更小。因此，隨著視角增加，藍光B在白光中的比例逐漸增加，導致色溫越來越高，白場發生了向高色溫方向的色偏，在視覺表現上就是圖像偏藍。

基于上述技術問題，如圖3所述，本發明實施例一提供了一種投影屏幕，沿投影鏡頭出光方向依次設置的菲涅爾透鏡層31、柱狀透鏡層32，以及還包括位于菲涅爾透鏡層31和柱狀透鏡層32之間的微透鏡層33。微透鏡層33包括：多個呈陣列分布的第一微透鏡。第一微透鏡為負透鏡，其中，第一微透鏡的色散系數小于柱狀透鏡層的柱狀透鏡的色散系數。

投影鏡頭的出射光線依次入射菲涅爾透鏡層31、微透鏡層33，并經過柱狀透鏡層32后出射。出射的光束進入人眼，從而用戶可以觀察到背投屏幕顯示的圖像。

在具體實施中，第一微透鏡單元與柱狀透鏡單元并列依次設置，兩透鏡的尺寸相當。

具體地，第一微透鏡的色散系數小于柱狀透鏡的色散系數，色散系數與鏡片的制作材料有關，并影響光束的折射率，在本發明實施例中，第一微透鏡的折射率大于柱狀透鏡的折射率。

具體地，第一微透鏡的色散系數在10~40之間，以及柱狀透鏡的色散系數在40~80之間。上述數值僅為舉例，也可以根據需要設置第一微透鏡的色散系數在10~30之間，柱狀透鏡的色散系數在50~80之間。

以及，第一微透鏡為負透鏡，對入射光束具有發散作用，具體可以為雙凹透鏡結構或平凹透鏡結構。

以及，第一微透鏡的出光面表面為非球面，可以便于對光束的發散偏折的程度進行靈活設計，或者第一微透鏡的入光面和出光面均為非球面，可以提高光路設計的可調性及靈活性。

第一微透鏡的材質可以為光學塑膠或光學玻璃。

下面將結合圖3、圖4A和圖4B詳細說明本實施例投影屏幕的工作原理。

根據實施例一所描述的色偏現象及原因，從柱狀透鏡層會聚后出射的各基色光束呈不同程度的發散狀態，色偏原因和現象可參見圖2及圖6。

如圖3所示，菲涅爾透鏡層31接收投影鏡頭出射的一定角度范圍內的影像光束，將對該一定角度范圍內的光束進行準直變成平行光出射，平行光入射至微透鏡層33后進行發散，并經柱狀透鏡層32會聚，影像光束在柱狀透鏡層32內部就完成會聚，會聚后再發散出射。

由于在原投影屏幕結構上增加了負透鏡微透鏡層，相比于圖2，使得影像光束從菲涅爾透鏡層進行準直出射后的光路發生變化。具體光路示意圖如圖4A所示。

圖4A中，與中心光軸呈平行狀態的白光入射第一微透鏡42，第一微透鏡42為負透鏡，具有負光焦度，產生正色差，柱狀透鏡41為正透鏡，具有正光焦度，產生負色差。從而通過不同材料的正、負透鏡組合，正色差與負色差相互配合來校正色差，即達到消色差的目的，使三束光線能更好的匯聚。三束光在人眼觀看時空間上是重合的，因而不會造成隨視角的色偏。

并且，第一微透鏡42的色散系數小于柱狀透鏡41的色散系數，即對光束的折射率大于柱狀透鏡41對光束的折射率。第一微透鏡42在對白光光束進行發散的過程中，R，G，B各基色光由于波長差異產生的發散偏折程度也不同。具體地，白光中的藍光B波長最短，發散程度最大，其次是綠光G，最后是紅光R，從而圖4A中所示的藍光B向上發散偏折最為嚴重。經過第一微透鏡42后呈發散狀態的各基色光再入射至柱狀透鏡41，柱狀透鏡為正透鏡，對光束進行會聚，且折射率小于第一微透鏡42，即對光束的會聚過程中的偏折程度相對小于第一微透鏡42對光束的發散的偏折程度。柱狀透鏡41對入射光束中不同波長的各基色光在第一微透鏡中發生的偏折差異進行反向偏折的過程中進行補償，但各基色光會聚的程度不同，柱狀透鏡對各基色光進行反向偏折補償的程度也不同。具體地，藍光B發散的最厲害，向上偏折，當入射至柱狀透鏡41時，藍光B會進行一定的程度的會聚，向下偏折，但是會聚的程度小于其被發散的程度，綠光G也會進行一定程度的會聚，但是由于綠光G在柱狀透鏡中的折射率小于藍光B在柱狀透鏡中的折射率，因此會聚的程度也相對小于藍光B的會聚程度，同理，紅光R會聚的程度小于綠光G，和藍光B的會聚程度，從而原來呈發散狀態的三基色光經過柱狀透鏡41的會聚作用下，反向偏折的補償即向下偏折的程度按照藍、綠、紅的順序呈逐漸減小的趨勢，從而通過上述正負透鏡的組合以及折射率配置的方案，能夠減小光束會聚時光束的偏折差異，使得最終三基色光實現再次會聚時光線偏折的角度接近，更容易達到會聚于一點，提高了三基色光的重合度，最終使從柱狀透鏡41出射的各基色光會聚后的光線出光方向基本一致，呈現基本重合狀態，大大減小了不同波長的基色光的分開程度，減小白光W經過投影屏幕后的空間能量分布變化，從而使得白光在不同視角下的色偏降低，提升顯示色彩的一致性。

上述示例中僅以一束白光為例進行原理性說明，由于投影機入射到投影屏幕的的光束有無數條，通過上述過程的光束處理，使得入射至投影屏幕的光束出射時發散程度降低或消除，從而在不同的視角下觀察時，不會因為基色光光束不同偏折而進入人眼的光束范圍有限造成色偏的現象。

在本發明實施例中，采用不同的材料，使柱狀透鏡的色散系數大于第一微透鏡的色散系數，由于第一微透鏡的色散系數較小，各基色光發生偏折的差異較大，且藍光B的偏折程度最大，紅光R偏折程度最小；在各基色光再入射至柱狀透鏡時，由于柱狀透鏡為具有較高的色散系數的凸透鏡結構，使得在第一微透鏡中發生最大程度偏折的藍光B在經過柱狀透鏡時的折射率也最大，凸透鏡結構的柱狀透鏡對其的會聚作用較其它基色光也最大，同理，對紅光R的會聚作用最小，從而使得藍光B在柱狀透鏡中的焦距變長，紅光R在柱狀透鏡中的焦距變短，由此，使出射的各基色光的焦距接近，焦點靠近或重合，從而減小各基色光出射時的分開程度。

具體地，在本發明實施例提供的上述投影屏幕中，由前述對白光光路的示意圖說明可知，由于第一微透鏡的光線發散作用和高色散（色散系數較小）性能，使得白光W中各基色光（R、G、B）的分開程度較大，而柱狀透鏡具有光線會聚作用且具有較低色散（色散系數較大），使得本來分開的各基色光（R、G、B）的光線在會聚后基本重合在一起。因此，第一微透鏡與柱狀透鏡在色散系數上的差異，使柱狀透鏡對經過第一微透鏡的各基色光的偏折差異具有補償作用。在具體實施時，可根據實際需要采用不同材料制作上述的柱狀透鏡和第一微透鏡，以使柱狀透鏡的色散系數大于第一微透鏡的色散系數，從而使柱狀透鏡為低色散凸透鏡，第一微透鏡為高色散凹透鏡。此外，還可在上述的色散系數范圍內調整柱狀透鏡和第一微透鏡的色散系數，本發明實施例不對各微透鏡的色散系數的具體取值進行限定。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述投影屏幕中，如圖4A所示，柱狀透鏡與第一微透鏡緊密貼合。在實際應用中，柱狀透鏡和第一微透鏡可采用膠合的方式貼合在一起，其消偏原理如上所述，此處不再贅述。

此外，如圖4B所示，微透鏡組中的柱狀透鏡和第一微透鏡之間可以存在預設距離的間隙，例如，柱狀透鏡層32與微透鏡層33之間可相距1-5mm。此時，白光W入射到微透鏡組時的光路圖如圖4B所示，具體地，白光W在入射到第一微透鏡之后發生發散，由于白光W中的各基色光（R、G、B）在第一微透鏡中的折射率不同導致各基色光的偏折程度發生差異，經過第一微透鏡后的各基色光（R、G、B）穿過柱狀透鏡和第一微透鏡之間的空氣間隙后入射到柱狀透鏡中，空氣間隙可視為折射率為1的透光介質，因此也可以在間隙中填充折射率相當于1的透光介質層。柱狀透鏡相對于第一微透鏡具有較高的色散系數，使得各基色光在第一微透鏡42中會聚，并發生較小程度的反向偏折，縮小各基色光的焦距長短差異，從而使出射的白光W中各基色光（R、G、B）基本重合。

柱狀透鏡層和微透鏡層之間的距離根據投影屏幕的制作需求和成像標準可進行調整，通常情況下兩者之間可相距3-5mm，在實際應用時，可靈活調整，在此不做限定。

由圖4B可以看出，在柱狀透鏡和第一微透鏡之間存在一定間隙時，微透鏡組可對入射到微透鏡組接近邊緣處的光線進行偏折，因此，采用間隙設置第一微透鏡和柱狀透鏡適用于兩者組成的微透鏡組具有較大孔徑的情況，在實際應用時，可根據實際需要采用上述兩種方式的任一種設置微透鏡層，消除投影屏幕的白光色偏。

進一步地，在本發明實施例提供的上述投影屏幕中，第一微透鏡的材料為光學塑膠或光學玻璃。在制作過程中，可通過模具將微透鏡層中所有的各第一微透鏡一體成型，而后將成型的各第一微透鏡與柱狀透鏡層通過光學膠進行膠合，或者通過屏幕頂端通過固定結構將兩層光學部件層進行相對位置固定；或者，還可分別制作每個第一微透鏡，再將各第一微透鏡進行光學膠膠合連接組成微透鏡層。在實際應用時，為簡化工藝復雜度可優選第一種方式進行微透鏡層的制作。此外，采用其它制作方法及材料制作上述的微透鏡層而達到本發明相應作用的情況，在此不做限定。

進一步地，在本發明實施例提供的上述投影屏幕中，菲涅爾透鏡層的厚度可為50-200μm。在實際應用時，菲涅爾透鏡層可為由聚烯烴等材料注壓而成的薄片，在制作過程中可將其厚度控制在50-200μm之內，使其適應于投影屏幕的整體厚度。當然，還可根據實際需求調整菲涅爾透鏡層的厚度，本發明實施例不對其具體厚度取值進行限定。

與此同時，為保證投影屏幕的整體厚度不至于過大，微透鏡層的厚度可為100-300μm。

需要說明的是，本發明實施例提供的上述投影屏幕中，出光方向指投影光束入射進入投影屏幕進行出射的方向；菲涅爾透鏡層、柱狀透鏡層以及微透鏡層的光軸應保持平行，第一微透鏡結構和柱狀透鏡結構單元優選地的并列設置。

實施例二、

基于同一發明構思，本發明實施例提供一種投影系統，該投影系統包括上述技術方案的投影屏幕。

該投影系統可為背投投影機，或者為背投拼接顯示系統。

投影系統的投影機可為激光投影機，在實際應用中，將投影機的焦距和投影屏幕的焦距匹配后即可進行圖像顯示。

具體地，可以如圖7所示，該投影系統包括投影機70，以及投影屏幕71。該投影系統采用如實施例一中所示的投影屏幕技術方案。

由于采用了上述實施例一中的投影屏幕，本發明實施例投影系統進行圖像顯示時，由于在對現有背投屏幕進行了改進，在菲涅爾透鏡層和柱狀透鏡層之間設置了呈陣列分布的第一微透鏡組成的微透鏡層，第一微透鏡為負透鏡，具有負光焦度，產生正色差，柱狀透鏡層為正透鏡，具有正光焦度，產生負色差。從而通過不同材料的正、負透鏡組合，正色差與負色差相互配合來校正色差，即達到消色差的目的，使三束光線能更好的匯聚。三束光在人眼觀看時空間上是重合的，因而不會造成隨視角的色偏。以及，通過設置第一微透鏡的色散系數小于柱狀透鏡的色散系數，從而第一微透鏡對光束進行較大偏折程度的發散，且各基色光發散的程度也不同，發散后的光束進入柱狀透鏡層后進行較小偏折程度的會聚，以對入射光束中不同波長的各基色光在第一微透鏡中發生的偏折差異進行反向偏折的過程中進行補償，且柱狀透鏡對各基色光進行反向偏折補償的程度也不同，能夠減小光束會聚時光束的偏折差異，使得最終三基色光實現再次會聚時光線偏折的角度接近，更容易達到會聚于一點，提高了三基色光的重合度， 從而減小白光W經過投影屏幕后的空間能量分布變化，從而使得白光在不同視角下的色偏降低，提升顯示色彩的一致性。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。