抗光投影幕布研究进展

2021-05-12成志秀梁立华赵义丽

信息记录材料 2021年3期

安曼，焦康，成志秀，梁立华，赵义丽，许剑

（中国乐凯集团有限公司河北保定 071054）

1 引言

近年来，国内影音市场的快速发展带动了投影幕布市场的不断壮大[1]。作为投影系统的终端，投影幕布是伴随投影技术的提高以及投影机在教育、工程、商也、家居等方面的普及而被越来越多的人们所熟悉[2]，作为画面的呈现方式，幕布类型的选择对影音的最终放映效果影响较大。

如今，更多的用户喜欢在较亮的环境光下观看投影画面，然而幕布表面容易受环境光的影响，导致成像画面发白、不清晰、不均匀，因此会大大降低画面的对比度和亮度，无法达到其本身的展示或演示效果。为了降低环境光和自然光等杂散光线对投影幕布的影响，越来越多的影音设备厂商开始针对此问题推出相应的产品解决方案，以满足在明亮环境下，客户对高清、高对比度以及更好视觉效果的需求，抗光投影幕布正是基于此而研发。

依据抗光投影幕布结构的不同，市面上常见的抗光投影幕布大致可分为四类，包括黑栅结构抗光投影幕、菲涅尔结构抗光投影幕、PVC涂层结构抗光投影幕和PET光学微结构抗光投影幕。其中黑栅结构抗光投影幕和菲涅尔结构抗光投影幕多用于超短焦或短焦，PVC涂层结构抗光投影幕长短焦均可，PET光学微结构抗光投影幕多用于长焦或中长焦。本文主要分析了抗光投影幕布的光学参数、类型结构、优缺点以及目前所应用的工艺制备技术，以期进一步提高人们对于抗光投影幕布的了解。

2 抗光投影幕布主要光学参数

2.1 幕布增益

增益用于表征幕布反射入射光的能力，其计算公式为Gain=πL/E，其中L为亮度计所测量的屏幕上一点的反射光的亮度，E为照度计所测量的屏幕上该点的入射光的照度。提高增益并不是增强光线，而是增加幕布对入射光线的利用率。增益越高的幕布，一般反射光线越集中，因此对来自侧方的光污染的免疫力就越强。但高增益的幕布也有负面作用，一般增益大于1的幕布都可能会在画面某处形成光斑，光斑随着视觉观看位置的变化而不同[3]。

2.2 半增益视角

半增益视角是指水平增益降为水平峰值增益一半时的角度。半增益视角越大，所能清晰观看到投影幕布上面的内容就越多，投影内容也就能被更多的人从不同的角度清晰而且完美地欣赏到。

2.3 环境光遮蔽率

环境光遮蔽率用于表征屏幕抵抗外来环境光影响的能力，常用百分数表示，遮蔽率越高表明在明亮环境下环境光对投影画面的影响就越小。

2.4 对比度

对比度是幕布在环境光光源条件下，投射白画面与黑画面亮度的比值，对比度越高，从白到黑的层次就越多，其显示画面的色彩也就越丰富、生动。

3 抗光投影幕布分类

3.1 黑栅结构抗光投影幕

黑栅结构抗光投影幕由横条光学锯齿结构的特殊棱镜结构构成，锯齿结构的上侧面为黑色的光线吸收层，锯齿结构的下侧面为涂有特定功能涂料结构的光反射层，其抗光原理示意如图1所示。通过此特殊棱镜结构，可以将上方的干扰光源进行吸收，并将下方激光电视投射的光源反射到观看者的眼中，进行平行反射，使观看者看到高对比度的图像。

图1 黑栅结构抗光投影幕抗光原理示意Fig.1 Schematic diagram of anti light principle of anti light projection screen with black grid structure

黑栅结构抗光投影幕具有较大可视角度，能接近180度，适合多人多角度观影，正面抗光性较好且无反光，其尺寸可选、软硬均可、方便定制，增益一般在0.6～0.9。但由于这种特殊的光学锯齿结构其下侧面涂覆宽度不足0.5mm，在其上面进行精准涂布其难度较大，稍有瑕疵整块幕布就不能使用，这也就造成了黑栅结构抗光投影幕的良品率较低，产品价格居高不下。

在黑栅结构抗光投影幕的加工过程中，具有特殊棱镜结构光栅膜层的加工是其关键技术环节。棱镜结构光栅膜层的加工方法主要有两种，如图2所示。第一种方法是将热塑型树脂涂布在基材正面，采用表面具有条纹微结构的模具辊进行辊压，辊压过程中搭配热压冷却固化成型技术，将基材层上的热塑型树脂压印固化，形成具有特定结构的光学棱镜阵列，如图2（a）所示。王杰等[4]设计的一种线栅结构的制造方法是将处于熔融态的混合材料体挤至铸片辊上，形成铸片，然后压印辊对铸片进行图案化处理，形成线栅结构图案的前驱体，最后经具有预设间距的两组辊的拉伸形成所述线栅结构。张建平等[5]将充分搅拌后处于粘流态的PVC物料经六辊压延，采用锯齿形反光设计的花纹纹路压纹处理后，急剧冷却形成棱镜结构。第二种方法是将UV树脂涂布在基材正面，采用表面具有条纹微结构的模具辊进行辊压，辊压过程中搭配UV固化成型技术，将基材层上的UV树脂压印固化形成具有特定结构的光学棱镜阵列，如图2（b）所示。周永南[6]将预先均匀混有黑色粒子的UV树脂涂布在基材正面，采用上述方法，将基材层上的UV树脂压印固化形成表面粗糙的光学棱镜阵列。

图2 棱镜结构光栅膜层的加工方法Fig.2 Processing method of grating film with prism structure

光反射层可利用反向涂布机、缺角轮涂布机、凹版涂布机、棒式涂布机等方式进行涂覆[7]，也可选择喷涂、模涂、丝网印刷、利用擦拭的槽填充等其他涂布方法涂布下述物质并使其固化而形成，包括白色或银色系的涂料，如氧化钛、氧化锌、氧化锆、氧化铝、硫酸钡、云母和硅石；含有白色或银色系的颜料或微珠等的紫外线固化型树脂或热固化型树脂；含有银或铝等金属蒸镀膜或金属箔等粉碎而成的颗粒或微小薄片的涂料等。另外，光反射层可以通过在棱镜结构面上蒸镀、溅射铝、银、镍等金属而形成，或者通过对金属箔进行转印等而形成[8-9]。

3.2 菲涅尔结构抗光投影幕

菲涅尔结构抗光投影幕其结构是一组从大到小，再从小到大的半同心圆纹路，如图3所示。与黑栅结构抗光投影幕的横条光学锯齿结构相比，不仅可以吸收来自屏幕上方的杂散光线，同时对于来自屏幕左右两侧的杂散光线也具有一定的抑制作用，所以菲涅尔结构抗光投影幕具有更高的增益和画面亮度[10]。虽然菲涅尔结构抗光投影幕的这种半同心圆结构虽然可抵挡更多的杂散光线，提高幕布的增益和亮度，但也大幅度降低了幕布的可视角度，同时其表面的反光层也会形成与液晶电视相类似的光斑。菲涅尔结构抗光投影幕复杂的光学结构使得其成本比黑栅结构抗光投影幕要高，而且在使用的过程中不能大幅度地弯曲，一般需要做成硬幕，这也就进一步加大了运输和安装成本。虽然市面上也存在菲涅尔结构的软幕，但相关产品较少。

图3 菲涅尔结构抗光投影幕示意Fig.3 Schematic diagram of Fresnel structure anti light projection screen

菲涅尔结构抗光投影幕的制备工艺和黑栅结构抗光投影幕的制备工艺原理基本相同。王霖等[11]在制作有微透镜阵列的透明基材的另外一侧时通过压印或UV胶水转印的方式形成菲涅尔微结构，将调制好的白色反射涂料均匀涂布在菲涅尔微结构的表面，然后使用光束照射，光束照射方向按照投影机光线的入射方向，经光束照射的部分被固化，去除未被光束照射的反射涂料后形成菲涅尔反射结构。代功强等[12]将UV光固化胶浆料倒入搅拌器，通过高速分散搅拌，然后加压将料打入光固化涂布线料槽，利用逗号刮刀在膜层涂布厚约80um的UV光固化胶浆料，以一定速度输送进模具辊筒，压印的同时经紫外线照射成型。反射层的制备则是采用真空连续电镀设备在光扩散菲涅尔透镜层工作面镀上一层反射率为92%的铝，然后在铝反射层上镀一层二氧化硅膜层。

3.3 PVC涂层结构抗光投影幕

PVC涂层结构抗光投影幕主要是利用物质对特定波长的光线具有吸收或者反射的特性，来达到抗光的作用，常见的有黑钻、银钻、黑晶、黑耀以及珍珠幕等。此类幕布主要是在PVC材质的基材上涂覆不同的光学涂层，增强幕布对灯光或环境光等一些杂散光线的抑制能力[13]。如果涂层的颜色偏向深色系，对于画面对比度的提高也具有一定的促进作用，其结构示意图如图4所示。PVC抗光幕可同时兼顾长焦投影和短焦投影，抗光性比只针对一种焦距的幕布差。

图4 PVC涂层结构抗光投影幕示意Fig.4 Schematic diagram of light resistant projection screen with PVC coating structure

长焦抗光幕以PVC布基为底层，在其表面涂覆黑晶抗光涂层，在较亮的环境光下，不仅具有优异的抗光效果，同时还可以提升画面亮度[14]。新一代进口长焦抗光幕，表面有高清抗光涂层，幕面呈银灰色，可有效降低环境光对画面的干扰性，使视野清晰自然，最大化提高画面亮度与色彩。长焦抗光软幕采用底层、PVC显像处理层、高清投影涂层三层复合结构，遮蔽率达90%。黑钻长焦抗光软幕采用PVC幕面涂布深灰色涂层，环境光抑制率为85%，增益值达1.1。

3.4 PET光学微结构抗光投影幕

PET光学微结构抗光投影幕由多层膜物理微结构组成，无色感基材可以有效还原投影的色彩，微结构可以有效降低环境光对画面效果的干扰，提升画面对比度，其结构如图5所示。幕布的特殊光学材料和构造，支持极高的分辨率显示，高清还原影片的真实色彩，带来更加精致细密的景深效果和画面立体感。与PVC抗光幕相比，其性能要好，但价格更高。

图5 PET光学微结构抗光投影幕示意Fig.5 Schematic diagram of PET optical microstructure anti light projection screen

PET光学微结构抗光投影幕产品的结构形式多样，不同的膜层其作用效果不同。专利CN201621060132.4[15]提供了一种可在强光环境中使用的正投投影屏幕（如图6所示），其包括透明PET膜层，在透明PET膜层的一侧表面上依次复合有百叶窗结构光栅层、成像层和挡光层，百叶窗结构光栅层复合于透明PET膜层的表面，包括若干个横向均匀间隔设置的透明微结构和横向均匀间隔设置的遮光结构，遮光结构均匀分布于透明微结构之间，用于遮挡环境光、降低环境光对成像的干扰；成像层用于投影设备投射光线成像，其复合于百叶窗结构光栅层后侧表面；挡光层由深色遮光材料制成，其复合于成像层的后侧表面。专利CN201810785339.5[16]公开了一种中长焦距投影显示屏幕，以靠近投影机一侧的为外侧，另一侧为内侧，所述中长焦距投影显示屏幕由外侧至内侧依次为表面基材层、色层、扩散层、基材底层和反射层（如图7所示）。该显示屏幕具有良好的抗环境光性能，即使在室内明亮的环境下，也有较好的对比度，能够使投影影像及色彩得到很好的呈现，同时还具有宽视角、反射光柔和减少视觉疲劳等优点。