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浅析激光电视投影屏幕

2018-09-12钟文馗梁宁郭斌

电子产品世界 2018年8期

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