淺析激光電視投影屏幕

作者　 鐘文馗 梁寧 郭斌 康佳集團股份有限公司 (深圳　518057)

鐘文馗(1972-)，男，碩士，康佳集團彩電研發(fā)中心總經(jīng)理，研究方向：彩電研發(fā)、管理;梁寧，男，博士，高級工程師，研究方向：數字電視;郭斌，男，康佳集團彩電研發(fā)新技術(shù)所所長(cháng)，高級工程師，研究方向：電視技術(shù)研發(fā)。

摘要：傳統的液晶電視設計到100英寸及以上時(shí)，成本會(huì )大大增加，而且大屏液晶電視擺放比較占空間，搬運也很不方便。相比之下，激光電視的優(yōu)勢在于不需要占用太多投影機與屏幕之間的距離，且不易被中間的障礙物或者經(jīng)過(guò)的人遮擋影像，可以輕松實(shí)現100英寸的超大畫(huà)面，是家庭影院的首選。市面上激光電視專(zhuān)用抗環(huán)境光屏幕品牌眾多，性能各異，詳細分析了主流的激光電視專(zhuān)用抗光屏的技術(shù)原理和優(yōu)勢。

0 引言

　　近年來(lái)，消費者對電視屏幕尺寸的需求越來(lái)越大，喜歡大尺寸屏幕所帶來(lái)的臨場(chǎng)感體驗。傳統的液晶電視設計到100英寸及以上時(shí)，成本會(huì )大大增加，而且大屏液晶電視擺放比較占空間，搬運也很不方便^[1]。相比之下，激光電視在成本、畫(huà)面尺寸和體積上都有較大的優(yōu)勢，在大尺寸，特別是100英寸以上的應用場(chǎng)合，激光電視的性?xún)r(jià)比無(wú)疑是最高的^[2]。所謂激光電視就是使用固態(tài)激光光源，采用反射式超短焦投影技術(shù)將光線(xiàn)投射到幕布上的投影機。激光的方向性好、單色性好、亮度高這三個(gè)特性，是激光電視實(shí)現高保真圖像的基礎。如圖1所示，反射式是指觀(guān)察者和激光投影機位于顯示屏幕的同側，從投影機發(fā)出的光線(xiàn)照射到墻面顯示屏幕上，所以觀(guān)察者看到的是反射后透射出來(lái)的光。激光電視的投射比可以做到0.26:1(投影距離:畫(huà)面寬度)，投射100英寸只需要幾十厘米的投影距離，不需要占用太多投影機與屏幕之間的距離，且不易被中間的障礙物或者經(jīng)過(guò)的人遮擋影像。激光電視是家庭影院的首選，畫(huà)面更真實(shí)、更有層次感、更通透。

　　激光電視存在投影顯示技術(shù)的通病，即投影顯示效果容易受到環(huán)境光線(xiàn)的影響，目前的應對措施是使用抗環(huán)境光屏幕可以有效地減少環(huán)境光的干擾，提升畫(huà)面的對比度。這與抗光幕獨特的結構有很大關(guān)系，激光電視投射出的光線(xiàn)與屏幕之間夾角很小，但環(huán)境光會(huì )從各個(gè)角度射向抗光幕，這兩者的角度差別很大，抗光幕利用獨特的光學(xué)結構將環(huán)境光盡可能多的反射或吸收，只讓激光電視產(chǎn)生的光進(jìn)入觀(guān)看者的眼睛中，激光電視配合抗光幕使用是非常有必要的，尤其是在明亮的環(huán)境中。

2 投影屏幕的基本參數

　　視角和亮度增益是投影屏幕兩個(gè)重要的基本參數，投影屏幕在不同方向上的反射是不同的，在水平方向上離屏幕中心越遠亮度則越低，當亮度降到中心亮度一半時(shí)的觀(guān)看角度，定義為視角。增益是指增強屏幕入射光的能力，增益是一個(gè)相對值，通常把完全漫反射屏(如無(wú)光澤白墻)的增益定為1，如果屏幕增益小于1，則會(huì )削弱入射光;反之，如果屏幕增益大于1，則能反射或折射更多的入射光。屏幕不同區域、不同角度的增益是不同的，為了便于比較，屏幕增益是指其中的最大值，一般來(lái)說(shuō)，垂直入射屏幕中心的增益是最大的。實(shí)際應用中，增益的測量方法：往完全漫反射面上投射一定的光線(xiàn)，這時(shí)的反射亮度設定為1。然后在同一條件下，向待測屏幕垂直的方向投射同樣的光線(xiàn)，測定中心點(diǎn)和同一圓弧上各點(diǎn)的亮度，計算這些亮度與完全漫反射屏的亮度的比值，這些比值的平均值(或最大值)就是屏幕的亮度增益。

　　屏幕的亮度增益與視角成反比關(guān)系，即增益越高，視角越小。根據不同的應用場(chǎng)合適當選擇投影屏幕，并非屏幕增益越高越好，沒(méi)有增益的屏幕所呈現的圖像較為平和，但容易受到環(huán)境光線(xiàn)的影響;有增益的屏幕則帶來(lái)明亮、層次豐富、色彩鮮艷的畫(huà)面，且環(huán)境光線(xiàn)對其影響較小。

3 傳統的投影屏幕

　　根據成像原理，投影屏幕可分為漫反射、回射及反射三種，白塑幕和金屬幕屬于漫反射原理，玻珠幕屬于回射原理，黑柵屏和菲濕耳屏則屬于反射原理。

3.1 漫反射屏幕

　　傳統的長(cháng)焦正向投影技術(shù)，投影機與屏幕之間距離較長(cháng)，早期使用普通的白塑幕或金屬幕或玻珠幕，這些屏幕特點(diǎn)各異，白塑幕和金屬幕視角約50度增益1.1倍，適用于高亮度投影機;玻珠幕視角約30度增益2.2~2.8，適用于低亮度投影機。如圖2所示，以低成本的白塑幕為例，投影機將畫(huà)面投射到白幕，再由白幕反射到眼球獲得畫(huà)面，根據漫反射原理，白塑幕對入射光的反射方向沒(méi)有選擇性，各方向機會(huì )均等，圖像平和，因此，白塑幕容易受到環(huán)境光影響，抗環(huán)境光能力差，導致畫(huà)面對比度低、分辨率和色彩還原度也偏低。

3.2 黑柵抗光屏

　　抗光幕利用獨特的光學(xué)結構將環(huán)境光盡可能多的反射或吸收，只讓激光電視產(chǎn)生的光進(jìn)入觀(guān)看者的眼睛中，其原理是通過(guò)在屏幕表面設置紋理，如棱鏡結構或菲涅爾結構，吸收環(huán)境雜光不進(jìn)行反射，只將投影光線(xiàn)進(jìn)行反射，大大提高了顯示畫(huà)面的對比度，分辨率和色彩還原性也大幅提高，如圖3所示，給出了抗光屏幕與普通白塑屏幕的效果對比。

　　黑柵抗光屏通過(guò)在幕布上設置紋理(黑柵)，橫向上布滿(mǎn)了非常細小的棱鏡結構，類(lèi)似于水平狀態(tài)的“百葉窗”形式，光柵呈立體排列。棱鏡結構一面涂布吸光涂層，吸收來(lái)自屏幕上方的光線(xiàn)不進(jìn)行反射，另一面涂布成鏡面，反射來(lái)自屏幕下方的投影光線(xiàn)來(lái)達到抗光的目的[3]，它的占空比(吸光面積:反射面積)極小，投影光線(xiàn)可以最大限度地反射出光，所以投影在屏幕上圖像的亮度、對比度較高。如圖4所示，其主要抗光功能是來(lái)自于表面凸出的三角形，其中三角形的頂面為黑色吸光層，底面為白色反射層。

　　當俯視屏幕的時(shí)候，隨著(zhù)角度的變化，看到的幕布色彩也會(huì )隨之變成全黑，而仰視的時(shí)候，則隨著(zhù)角度的變化，整塊屏幕會(huì )變成全白。但是這樣的橫向結構，只能抵擋住來(lái)自屏幕上方的光線(xiàn)，如果屏幕兩側和正面有雜光照射屏幕的話(huà)，黑柵抗光幕的抗光效果就會(huì )大打折扣。黑柵抗光屏的視角可以達到180度，但亮度增益只有0.6~0.8。

3.3 菲涅耳抗光屏

　　菲涅耳透鏡是一種光學(xué)結構，其主要作用是聚光，不過(guò)它在投影屏幕上的應用并不是透鏡原理。如圖5所示，菲涅耳抗光屏通過(guò)在屏幕表面布滿(mǎn)了從大到小的同心圓紋路，采用與黑柵抗光幕相似原理：一面吸收，一面反射，只是把黑柵的橫向結構改成了半個(gè)同心圓，以此來(lái)抵擋來(lái)自屏幕上方及左右兩側的光線(xiàn)，也就是抵擋住了除了來(lái)自投影方向之外的其他所有光線(xiàn)。

　　如圖6所示，菲涅耳屏幕并不只是同心圓結構，其還增加擴散層、著(zhù)色層，以及硬玻璃表面，菲涅耳屏幕雖然抗光效果一流，但是其價(jià)格基本上比同尺寸黑柵幕高出一倍，并且由于光學(xué)結構更為復雜，只能做成不能卷曲的硬屏，無(wú)論是運輸還是安裝，難度都會(huì )比黑柵幕布要大不少。同時(shí)由于將從屏幕兩側的光線(xiàn)進(jìn)行了吸收處理，所以菲涅耳的可視角度相對黑柵幕也有非常大的縮減，其可視角度只有50度，但是由于菲涅耳結構外加擴散層的使用，使得菲涅耳屏幕的亮度增益做得非常不錯，可以達到0.9。

4 新一代光子薄膜抗光屏

　　光子晶體是參照晶體的能帶理論而提出的概念，光子晶體中通過(guò)不同折射率介質(zhì)周期性排列形成的人工微結構，來(lái)獲得折射率的周期性變化，使得光子的運動(dòng)受到布拉格散射，形成能帶結構^[4]，能帶與能帶之間可能存在帶隙，能量(即波長(cháng))落在帶隙中的光波無(wú)法傳播(被吸收)，而能量不在帶隙中的光波暢通無(wú)阻，可在光子晶體中產(chǎn)生反射或折射。

　　光子薄膜抗光屏就是基于光子晶體理論設計光子薄膜人工微結構，能帶中形成一定的帶隙結構，讓投影機發(fā)出的光波能量不會(huì )落在帶隙中，這樣，投影機的光就可以在光子薄膜中傳播，通過(guò)反射或折射進(jìn)入觀(guān)看者眼中，而環(huán)境光不管來(lái)自哪個(gè)方向，只要其能量落在帶隙中就被吸收而無(wú)法傳播，從而實(shí)現抗光效果。當然，也有一些環(huán)境光能量不落在帶隙的，可以在光子薄膜中傳播，也會(huì )進(jìn)入觀(guān)看者眼中。所以，光子薄膜抗光屏的技術(shù)含量在于帶隙的位置和寬度設計。如圖7所示，光子薄膜抗光屏是在基底材料上制備各種功能薄膜材料層而形成的，至少包含3個(gè)功能層：勻光層、光子薄膜層、反射層，各功能層通過(guò)膠層粘合在一起。

　　勻光層具有精細的光學(xué)微結構，其粒子直徑為百微米級別，粒子是均勻分布的，把入射光打勻并減少反射。光子薄膜層是關(guān)鍵所在，通過(guò)折射率周期性設置形成帶隙，讓投影機發(fā)出的光可以在薄膜材料中傳播，而讓盡可能多的環(huán)境光的光能落在帶隙中而被吸收掉。反射層選用反射率盡可能高的涂層材料，提高抗光屏的增益。由于光子薄膜抗光屏主體部分是薄膜材料，可以制備在柔性的基底材料上，因此，光子薄膜抗光屏是所有方向可卷曲的柔性屏。

5 結論

　　本文介紹了傳統的基于漫反射原理成像的漫反射屏幕，基于反射原理成像并引入吸光層的黑柵抗光屏和菲涅耳抗光屏，以及新一代光子薄膜抗光屏。漫反射屏沒(méi)有引入吸光層，結構簡(jiǎn)單、成本低、圖像平和而對比度低;黑柵抗光屏引入橫向結構的吸光層，結構較為復雜，可一個(gè)方向卷曲，價(jià)格適中，只能吸收屏幕上方的環(huán)境光，對比度比漫反射屏高;菲涅耳抗光屏引入同心圓結構吸光層，結構復雜，為不能卷曲的硬屏，價(jià)格高昂，可吸收所有方向的環(huán)境光，顯示效果極佳;光子薄膜抗光屏對所有方向環(huán)境光具有較強的抗光性，薄膜材料具有柔性可卷曲特點(diǎn)。因此，按高中低分檔依次是光子薄膜抗光屏、菲涅耳抗光屏、黑柵抗光屏和漫反射屏，而光子薄膜抗光屏的性?xún)r(jià)比是最高的。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第8期第36頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。