淺析激光電視投影屏幕

鐘文馗 梁寧 郭斌

摘要：傳統的液晶電視設計到100英寸及以上時，成本會大大增加，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過的人遮擋影像，可以輕松實現100英寸的超大畫面，是家庭影院的首選。市面上激光電視專用抗環境光屏幕品牌眾多，性能各異，詳細分析了主流的激光電視專用抗光屏的技術原理和優勢。

關鍵詞：激光電視；漫反射屏幕；抗光屏幕；光子晶體；菲涅耳結構

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.7.010

0 引言

近年來，消費者對電視屏幕尺寸的需求越來越大，喜歡大尺寸屏幕所帶來的臨場感體驗。傳統的液晶電視設計到100英寸及以上時，成本會大大增加，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，激光電視在成本、畫面尺寸和體積上都有較大的優勢，在大尺寸，特別是100英寸以上的應用場合，激光電視的性價比無疑是最高的[2]。所謂激光電視就是使用固態激光光源，采用反射式超短焦投影技術將光線投射到幕布上的投影機。激光的方向性好、單色性好、亮度高這三個特性，是激光電視實現高保真圖像的基礎。如圖1所示，反射式是指觀察者和激光投影機位于顯示屏幕的同側，從投影機發出的光線照射到墻面顯示屏幕上，所以觀察者看到的是反射后透射出來的光。激光電視的投射比可以做到0.26：1（投影距離：畫面寬度），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過的人遮擋影像。激光電視是家庭影院的首選，畫面更真實、更有層次感、更通透。

激光電視存在投影顯示技術的通病，即投影顯示效果容易受到環境光線的影響，目前的應對措施是使用抗環境光屏幕可以有效地減少環境光的干擾，提升畫面的對比度。這與抗光幕獨特的結構有很大關系，激光電視投射出的光線與屏幕之間夾角很小，但環境光會從各個角度射向抗光幕，這兩者的角度差別很大，抗光幕利用獨特的光學結構將環境光盡可能多的反射或吸收，只讓激光電視產生的光進入觀看者的眼睛中，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的觀看角度，定義為視角。增益是指增強屏幕入射光的能力，增益是一個相對值，通常把完全漫反射屏（如無光澤白墻）的增益定為1，如果屏幕增益小于1，則會削弱入射光；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，一般來說，垂直入射屏幕中心的增益是最大的。實際應用中，增益的測量方法：往完全漫反射面上投射一定的光線，這時的反射亮度設定為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，測定中心點和同一圓弧上各點的亮度，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系，即增益越高，視角越小。根據不同的應用場合適當選擇投影屏幕，并非屏幕增益越高越好，沒有增益的屏幕所呈現的圖像較為平和，但容易受到環境光線的影響：有增益的屏幕則帶來明亮、層次豐富、色彩鮮艷的畫面，且環境光線對其影響較小。

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

傳統的長焦正向投影技術，投影機與屏幕之間距離較長，早期使用普通的白塑幕或金屬幕或玻珠幕，這些屏幕特點各異，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，投影機將畫面投射到白幕，再由白幕反射到眼球獲得畫面，根據漫反射原理，白塑幕對入射光的反射方向沒有選擇性，各方向機會均等，圖像平和，因此，白塑幕容易受到環境光影響，抗環境光能力差，導致畫面對比度低、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結構將環境光盡可能多的反射或吸收，只讓激光電視產生的光進入觀看者的眼睛中，其原理是通過在屏幕表面設置紋理，如棱鏡結構或菲涅爾結構，吸收環境雜光不進行反射，只將投影光線進行反射，大大提高了顯示畫面的對比度，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。

黑柵抗光屏通過在幕布上設置紋理（黑柵），橫向上布滿了非常細小的棱鏡結構，類似于水平狀態的“百葉窗”形式，光柵呈立體排列。棱鏡結構一面涂布吸光涂層，吸收來自屏幕上方的光線不進行反射，另一面涂布成鏡面，反射來自屏幕下方的投影光線來達到抗光的目的[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。

當俯視屏幕的時候，隨著角度的變化，看到的幕布色彩也會隨之變成全黑，而仰視的時候，則隨著角度的變化，整塊屏幕會變成全白。但是這樣的橫向結構，只能抵擋住來自屏幕上方的光線，如果屏幕兩側和正面有雜光照射屏幕的話，黑柵抗光幕的抗光效果就會大打折扣。黑柵抗光屏的視角可以達到1 80度，但亮度增益只有0.6～0.8。

3.3菲涅耳抗光屏

菲涅耳透鏡是一種光學結構，其主要作用是聚光，不過它在投影屏幕上的應用并不是透鏡原理。如圖5所示，菲涅耳抗光屏通過在屏幕表面布滿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同心圓，以此來抵擋來自屏幕上方及左右兩側的光線，也就是抵擋住了除了來自投影方向之外的其他所有光線。

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，但是其價格基本上比同尺寸黑柵幕高出一倍，并且由于光學結構更為復雜，只能做成不能卷曲的硬屏，無論是運輸還是安裝，難度都會比黑柵幕布要大不少。同時由于將從屏幕兩側的光線進行了吸收處理，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，光子晶體中通過不同折射率介質周期性排列形成的人工微結構，來獲得折射率的周期性變化，使得光子的運動受到布拉格散射，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）落在帶隙中的光波無法傳播（被吸收），而能量不在帶隙中的光波暢通無阻，可在光子晶體中產生反射或折射。

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，讓投影機發出的光波能量不會落在帶隙中，這樣，投影機的光就可以在光子薄膜中傳播，通過反射或折射進入觀看者眼中，而環境光不管來自哪個方向，只要其能量落在帶隙中就被吸收而無法傳播，從而實現抗光效果。當然，也有一些環境光能量不落在帶隙的，可以在光子薄膜中傳播，也會進入觀看者眼中。所以，光子薄膜抗光屏的技術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個功能層：勻光層、光子薄膜層、反射層，各功能層通過膠層粘合在一起。

勻光層具有精細的光學微結構，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。光子薄膜層是關鍵所

在，通過折射率周期性設置形成帶隙，讓投影機發出的光可以在薄膜材料中傳播，而讓盡可能多的環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。漫反射屏沒有引入吸光層，結構簡單、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，可一個方向卷曲，價格適中，只能吸收屏幕上方的環境光，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，價格高昂，可吸收所有方向的環境光，顯示效果極佳；光子薄膜抗光屏對所有方向環境光具有較強的抗光性，薄膜材料具有柔性可卷曲特點。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價比是最高的。

參考文獻：

[1]賀然.84英寸點燃大屏幕液晶電視市場之戰[J].電器，2013（1）：32-33

[2]馮傳崗.激光電視21世紀電視機市場中最強的競爭者[J]有線電視技術，2011（3）：83-86

[3]邱偉.黑柵投影屏幕的網版印刷制造工藝[J].絲網印刷，2015（12）：10-15

[4]童元偉，張冶文，赫麗.用傳輸矩陣法研究微波波段準一維同軸光子晶體能隙結構[J].物理學報2006（2）：935-940