浅析激光电视投影屏幕

钟文馗 梁宁 郭斌

摘要：传统的液晶电视设计到100英寸及以上时，成本会大大增加，而且大屏液晶电视摆放比较占空间，搬运也很不方便。相比之下，激光电视的优势在于不需要占用太多投影机与屏幕之间的距离，且不易被中间的障碍物或者经过的人遮挡影像，可以轻松实现100英寸的超大画面，是家庭影院的首选。市面上激光电视专用抗环境光屏幕品牌众多，性能各异，详细分析了主流的激光电视专用抗光屏的技术原理和优势。

关键词：激光电视；漫反射屏幕；抗光屏幕；光子晶体；菲涅耳结构

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.7.010

0 引言

近年来，消费者对电视屏幕尺寸的需求越来越大，喜欢大尺寸屏幕所带来的临场感体验。传统的液晶电视设计到100英寸及以上时，成本会大大增加，而且大屏液晶电视摆放比较占空间，搬运也很不方便…。相比之下，激光电视在成本、画面尺寸和体积上都有较大的优势，在大尺寸，特别是100英寸以上的应用场合，激光电视的性价比无疑是最高的[2]。所谓激光电视就是使用固态激光光源，采用反射式超短焦投影技术将光线投射到幕布上的投影机。激光的方向性好、单色性好、亮度高这三个特性，是激光电视实现高保真图像的基础。如图1所示，反射式是指观察者和激光投影机位于显示屏幕的同侧，从投影机发出的光线照射到墙面显示屏幕上，所以观察者看到的是反射后透射出来的光。激光电视的投射比可以做到0.26：1（投影距离：画面宽度），投射100英寸只需要几十厘米的投影距離，不需要占用太多投影机与屏幕之间的距离，且不易被中间的障碍物或者经过的人遮挡影像。激光电视是家庭影院的首选，画面更真实、更有层次感、更通透。

激光电视存在投影显示技术的通病，即投影显示效果容易受到环境光线的影响，目前的应对措施是使用抗环境光屏幕可以有效地减少环境光的干扰，提升画面的对比度。这与抗光幕独特的结构有很大关系，激光电视投射出的光线与屏幕之间夹角很小，但环境光会从各个角度射向抗光幕，这两者的角度差别很大，抗光幕利用独特的光学结构将环境光尽可能多的反射或吸收，只让激光电视产生的光进入观看者的眼睛中，激光电视配合抗光幕使用是非常有必要的，尤其是在明亮的环境中。

2 投影屏幕的基本参数

视角和亮度增益是投影屏幕两个重要的基本参数，投影屏幕在不同方向上的反射是不同的，在水平方向上离屏幕中心越远亮度则越低，当亮度降到中心亮度一半时的观看角度，定义为视角。增益是指增强屏幕入射光的能力，增益是一个相对值，通常把完全漫反射屏（如无光泽白墙）的增益定为1，如果屏幕增益小于1，则会削弱入射光；反之，如果屏幕增益大于1，则能反射或折射更多的入射光。屏幕不同区域、不同角度的增益是不同的，为了便于比较，屏幕增益是指其中的最大值，一般来说，垂直入射屏幕中心的增益是最大的。实际应用中，增益的测量方法：往完全漫反射面上投射一定的光线，这时的反射亮度设定为1。然后在同一条件下，向待测屏幕垂直的方向投射同样的光线，测定中心点和同一圆弧上各点的亮度，计算这些亮度与完全漫反射屏的亮度的比值，这些比值的平均值（或最大值）就是屏幕的亮度增益。

屏幕的亮度增益与视角成反比关系，即增益越高，视角越小。根据不同的应用场合适当选择投影屏幕，并非屏幕增益越高越好，没有增益的屏幕所呈现的图像较为平和，但容易受到环境光线的影响：有增益的屏幕则带来明亮、层次丰富、色彩鲜艳的画面，且环境光线对其影响较小。

3 传统的投影屏幕

根据成像原理，投影屏幕可分为漫反射、回射及反射三种，白塑幕和金属幕属于漫反射原理，玻珠幕属于回射原理，黑栅屏和菲湿耳屏则属于反射原理。

3.1漫反射屏幕

传统的长焦正向投影技术，投影机与屏幕之间距离较长，早期使用普通的白塑幕或金属幕或玻珠幕，这些屏幕特点各异，白塑幕和金属幕视角约50度增益1.1倍，适用于高亮度投影机；玻珠幕视角约30度增益2.2～2.8，适用于低亮度投影机。如图2所示，以低成本的白塑幕为例，投影机将画面投射到白幕，再由白幕反射到眼球获得画面，根据漫反射原理，白塑幕对入射光的反射方向没有选择性，各方向机会均等，图像平和，因此，白塑幕容易受到环境光影响，抗环境光能力差，导致画面对比度低、分辨率和色彩还原度也偏低。

3.2黑栅抗光屏

抗光幕利用独特的光学结构将环境光尽可能多的反射或吸收，只让激光电视产生的光进入观看者的眼睛中，其原理是通过在屏幕表面设置纹理，如棱镜结构或菲涅尔结构，吸收环境杂光不进行反射，只将投影光线进行反射，大大提高了显示画面的对比度，分辨率和色彩还原性也大幅提高，如图3所示，给出了抗光屏幕与普通白塑屏幕的效果对比。

黑栅抗光屏通过在幕布上设置纹理（黑栅），横向上布满了非常细小的棱镜结构，类似于水平状态的“百叶窗”形式，光栅呈立体排列。棱镜结构一面涂布吸光涂层，吸收来自屏幕上方的光线不进行反射，另一面涂布成镜面，反射来自屏幕下方的投影光线来达到抗光的目的[3]，它的占空比（吸光面积：反射面积）极小，投影光线可以最大限度地反射出光，所以投影在屏幕上图像的亮度、对比度较高。如图4所示，其主要抗光功能是来自于表面凸出的三角形，其中三角形的顶面为黑色吸光层，底面为白色反射层。

当俯视屏幕的时候，随着角度的变化，看到的幕布色彩也会随之变成全黑，而仰视的时候，则随着角度的变化，整块屏幕会变成全白。但是这样的横向结构，只能抵挡住来自屏幕上方的光线，如果屏幕两侧和正面有杂光照射屏幕的话，黑栅抗光幕的抗光效果就会大打折扣。黑栅抗光屏的视角可以达到1 80度，但亮度增益只有0.6～0.8。

3.3菲涅耳抗光屏

菲涅耳透镜是一种光学结构，其主要作用是聚光，不过它在投影屏幕上的应用并不是透镜原理。如图5所示，菲涅耳抗光屏通过在屏幕表面布满了从大到小的同心圆纹路，采用与黑栅抗光幕相似原理：一面吸收，一面反射，只是把黑栅的横向结构改成了半个同心圆，以此来抵挡来自屏幕上方及左右两侧的光线，也就是抵挡住了除了来自投影方向之外的其他所有光线。

如图6所示，菲涅耳屏幕并不只是同心圆结构，其还增加扩散层、着色层，以及硬玻璃表面，菲涅耳屏幕虽然抗光效果一流，但是其价格基本上比同尺寸黑栅幕高出一倍，并且由于光学结构更为复杂，只能做成不能卷曲的硬屏，无论是运输还是安装，难度都会比黑栅幕布要大不少。同時由于将从屏幕两侧的光线进行了吸收处理，所以菲涅耳的可视角度相对黑栅幕也有非常大的缩减，其可视角度只有50度，但是由于菲涅耳结构外加扩散层的使用，使得菲涅耳屏幕的亮度增益做得非常不错，可以达到0.9。

4 新一代光子薄膜抗光屏

光子晶体是参照晶体的能带理论而提出的概念，光子晶体中通过不同折射率介质周期性排列形成的人工微结构，来获得折射率的周期性变化，使得光子的运动受到布拉格散射，形成能带结构[4]，能带与能带之间可能存在带隙，能量（即波长）落在带隙中的光波无法传播（被吸收），而能量不在带隙中的光波畅通无阻，可在光子晶体中产生反射或折射。

光子薄膜抗光屏就是基于光子晶体理论设计光子薄膜人工微结构，能带中形成一定的带隙结构，让投影机发出的光波能量不会落在带隙中，这样，投影机的光就可以在光子薄膜中传播，通过反射或折射进入观看者眼中，而环境光不管来自哪个方向，只要其能量落在带隙中就被吸收而无法传播，从而实现抗光效果。当然，也有一些环境光能量不落在带隙的，可以在光子薄膜中传播，也会进入观看者眼中。所以，光子薄膜抗光屏的技术含量在于带隙的位置和宽度设计。如图7所示，光子薄膜抗光屏是在基底材料上制备各种功能薄膜材料层而形成的，至少包含3个功能层：匀光层、光子薄膜层、反射层，各功能层通过胶层粘合在一起。

匀光层具有精细的光学微结构，其粒子直径为百微米级别，粒子是均匀分布的，把入射光打匀并减少反射。光子薄膜层是关键所

在，通过折射率周期性设置形成带隙，让投影机发出的光可以在薄膜材料中传播，而让尽可能多的环境光的光能落在带隙中而被吸收掉。反射层选用反射率尽可能高的涂层材料，提高抗光屏的增益。由于光子薄膜抗光屏主体部分是薄膜材料，可以制备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 结论

本文介绍了传统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层的黑栅抗光屏和菲涅耳抗光屏，以及新一代光子薄膜抗光屏。漫反射屏没有引入吸光层，结构简单、成本低、图像平和而对比度低：黑栅抗光屏引入横向结构的吸光层，结构较为复杂，可一个方向卷曲，价格适中，只能吸收屏幕上方的环境光，对比度比漫反射屏高；菲涅耳抗光屏引入同心圆结构吸光层，结构复杂，为不能卷曲的硬屏，价格高昂，可吸收所有方向的环境光，显示效果极佳；光子薄膜抗光屏对所有方向环境光具有较强的抗光性，薄膜材料具有柔性可卷曲特点。因此，按高中低分档依次是光子薄膜抗光屏、菲涅耳抗光屏、黑栅抗光屏和漫反射屏，而光子薄膜抗光屏的性价比是最高的。

参考文献：

[1]贺然.84英寸点燃大屏幕液晶电视市场之战[J].电器，2013（1）：32-33

[2]冯传岗.激光电视21世纪电视机市场中最强的竞争者[J]有线电视技术，2011（3）：83-86

[3]邱伟.黑栅投影屏幕的网版印刷制造工艺[J].丝网印刷，2015（12）：10-15

[4]童元伟，张冶文，赫丽.用传输矩阵法研究微波波段准一维同轴光子晶体能隙结构[J].物理学报2006（2）：935-940