抗光投影幕布研究進(jìn)展

安 曼，焦 康，成志秀，梁立華，趙義麗，許 劍

（中國樂凱集團(tuán)有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

近年來，國內(nèi)影音市場的快速發(fā)展帶動了投影幕布市場的不斷壯大[1]。作為投影系統(tǒng)的終端，投影幕布是伴隨投影技術(shù)的提高以及投影機(jī)在教育、工程、商也、家居等方面的普及而被越來越多的人們所熟悉[2]，作為畫面的呈現(xiàn)方式，幕布類型的選擇對影音的最終放映效果影響較大。

如今，更多的用戶喜歡在較亮的環(huán)境光下觀看投影畫面，然而幕布表面容易受環(huán)境光的影響，導(dǎo)致成像畫面發(fā)白、不清晰、不均勻，因此會大大降低畫面的對比度和亮度，無法達(dá)到其本身的展示或演示效果。為了降低環(huán)境光和自然光等雜散光線對投影幕布的影響，越來越多的影音設(shè)備廠商開始針對此問題推出相應(yīng)的產(chǎn)品解決方案，以滿足在明亮環(huán)境下，客戶對高清、高對比度以及更好視覺效果的需求，抗光投影幕布正是基于此而研發(fā)。

依據(jù)抗光投影幕布結(jié)構(gòu)的不同，市面上常見的抗光投影幕布大致可分為四類，包括黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕、菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕、PVC涂層結(jié)構(gòu)抗光投影幕和PET光學(xué)微結(jié)構(gòu)抗光投影幕。其中黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕和菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕多用于超短焦或短焦，PVC涂層結(jié)構(gòu)抗光投影幕長短焦均可，PET光學(xué)微結(jié)構(gòu)抗光投影幕多用于長焦或中長焦。本文主要分析了抗光投影幕布的光學(xué)參數(shù)、類型結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)以及目前所應(yīng)用的工藝制備技術(shù)，以期進(jìn)一步提高人們對于抗光投影幕布的了解。

2 抗光投影幕布主要光學(xué)參數(shù)

2.1 幕布增益

增益用于表征幕布反射入射光的能力，其計(jì)算公式為Gain=πL/E，其中L為亮度計(jì)所測量的屏幕上一點(diǎn)的反射光的亮度，E為照度計(jì)所測量的屏幕上該點(diǎn)的入射光的照度。提高增益并不是增強(qiáng)光線，而是增加幕布對入射光線的利用率。增益越高的幕布，一般反射光線越集中，因此對來自側(cè)方的光污染的免疫力就越強(qiáng)。但高增益的幕布也有負(fù)面作用，一般增益大于1的幕布都可能會在畫面某處形成光斑，光斑隨著視覺觀看位置的變化而不同[3]。

2.2 半增益視角

半增益視角是指水平增益降為水平峰值增益一半時的角度。半增益視角越大，所能清晰觀看到投影幕布上面的內(nèi)容就越多，投影內(nèi)容也就能被更多的人從不同的角度清晰而且完美地欣賞到。

2.3 環(huán)境光遮蔽率

環(huán)境光遮蔽率用于表征屏幕抵抗外來環(huán)境光影響的能力，常用百分?jǐn)?shù)表示，遮蔽率越高表明在明亮環(huán)境下環(huán)境光對投影畫面的影響就越小。

2.4 對比度

對比度是幕布在環(huán)境光光源條件下，投射白畫面與黑畫面亮度的比值，對比度越高，從白到黑的層次就越多，其顯示畫面的色彩也就越豐富、生動。

3 抗光投影幕布分類

3.1 黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕

黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕由橫條光學(xué)鋸齒結(jié)構(gòu)的特殊棱鏡結(jié)構(gòu)構(gòu)成，鋸齒結(jié)構(gòu)的上側(cè)面為黑色的光線吸收層，鋸齒結(jié)構(gòu)的下側(cè)面為涂有特定功能涂料結(jié)構(gòu)的光反射層，其抗光原理示意如圖1所示。通過此特殊棱鏡結(jié)構(gòu)，可以將上方的干擾光源進(jìn)行吸收，并將下方激光電視投射的光源反射到觀看者的眼中，進(jìn)行平行反射，使觀看者看到高對比度的圖像。

圖1 黑柵結(jié)構(gòu)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

黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕具有較大可視角度，能接近180度，適合多人多角度觀影，正面抗光性較好且無反光，其尺寸可選、軟硬均可、方便定制，增益一般在0.6～0.9。但由于這種特殊的光學(xué)鋸齒結(jié)構(gòu)其下側(cè)面涂覆寬度不足0.5mm，在其上面進(jìn)行精準(zhǔn)涂布其難度較大，稍有瑕疵整塊幕布就不能使用，這也就造成了黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕的良品率較低，產(chǎn)品價格居高不下。

在黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕的加工過程中，具有特殊棱鏡結(jié)構(gòu)光柵膜層的加工是其關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。棱鏡結(jié)構(gòu)光柵膜層的加工方法主要有兩種，如圖2所示。第一種方法是將熱塑型樹脂涂布在基材正面，采用表面具有條紋微結(jié)構(gòu)的模具輥進(jìn)行輥壓，輥壓過程中搭配熱壓冷卻固化成型技術(shù)，將基材層上的熱塑型樹脂壓印固化，形成具有特定結(jié)構(gòu)的光學(xué)棱鏡陣列，如圖2（a）所示。王杰等[4]設(shè)計(jì)的一種線柵結(jié)構(gòu)的制造方法是將處于熔融態(tài)的混合材料體擠至鑄片輥上，形成鑄片，然后壓印輥對鑄片進(jìn)行圖案化處理，形成線柵結(jié)構(gòu)圖案的前驅(qū)體，最后經(jīng)具有預(yù)設(shè)間距的兩組輥的拉伸形成所述線柵結(jié)構(gòu)。張建平等[5]將充分?jǐn)嚢韬筇幱谡沉鲬B(tài)的PVC物料經(jīng)六輥壓延，采用鋸齒形反光設(shè)計(jì)的花紋紋路壓紋處理后，急劇冷卻形成棱鏡結(jié)構(gòu)。第二種方法是將UV樹脂涂布在基材正面，采用表面具有條紋微結(jié)構(gòu)的模具輥進(jìn)行輥壓，輥壓過程中搭配UV固化成型技術(shù)，將基材層上的UV樹脂壓印固化形成具有特定結(jié)構(gòu)的光學(xué)棱鏡陣列，如圖2（b）所示。周永南[6]將預(yù)先均勻混有黑色粒子的UV樹脂涂布在基材正面，采用上述方法，將基材層上的UV樹脂壓印固化形成表面粗糙的光學(xué)棱鏡陣列。

圖2 棱鏡結(jié)構(gòu)光柵膜層的加工方法Fig.2 Processing method of grating film with prism structure

光反射層可利用反向涂布機(jī)、缺角輪涂布機(jī)、凹版涂布機(jī)、棒式涂布機(jī)等方式進(jìn)行涂覆[7]，也可選擇噴涂、模涂、絲網(wǎng)印刷、利用擦拭的槽填充等其他涂布方法涂布下述物質(zhì)并使其固化而形成，包括白色或銀色系的涂料，如氧化鈦、氧化鋅、氧化鋯、氧化鋁、硫酸鋇、云母和硅石；含有白色或銀色系的顏料或微珠等的紫外線固化型樹脂或熱固化型樹脂；含有銀或鋁等金屬蒸鍍膜或金屬箔等粉碎而成的顆?；蛭⑿”∑耐苛系取Ａ硗?，光反射層可以通過在棱鏡結(jié)構(gòu)面上蒸鍍、濺射鋁、銀、鎳等金屬而形成，或者通過對金屬箔進(jìn)行轉(zhuǎn)印等而形成[8-9]。

3.2 菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕

菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕其結(jié)構(gòu)是一組從大到小，再從小到大的半同心圓紋路，如圖3所示。與黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕的橫條光學(xué)鋸齒結(jié)構(gòu)相比，不僅可以吸收來自屏幕上方的雜散光線，同時對于來自屏幕左右兩側(cè)的雜散光線也具有一定的抑制作用，所以菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕具有更高的增益和畫面亮度[10]。雖然菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕的這種半同心圓結(jié)構(gòu)雖然可抵擋更多的雜散光線，提高幕布的增益和亮度，但也大幅度降低了幕布的可視角度，同時其表面的反光層也會形成與液晶電視相類似的光斑。菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)使得其成本比黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕要高，而且在使用的過程中不能大幅度地彎曲，一般需要做成硬幕，這也就進(jìn)一步加大了運(yùn)輸和安裝成本。雖然市面上也存在菲涅爾結(jié)構(gòu)的軟幕，但相關(guān)產(chǎn)品較少。

圖3 菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕示意Fig.3 Schematic diagram of Fresnel structure anti light projection screen

菲涅爾結(jié)構(gòu)抗光投影幕的制備工藝和黑柵結(jié)構(gòu)抗光投影幕的制備工藝原理基本相同。王霖等[11]在制作有微透鏡陣列的透明基材的另外一側(cè)時通過壓印或UV膠水轉(zhuǎn)印的方式形成菲涅爾微結(jié)構(gòu)，將調(diào)制好的白色反射涂料均勻涂布在菲涅爾微結(jié)構(gòu)的表面，然后使用光束照射，光束照射方向按照投影機(jī)光線的入射方向，經(jīng)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爾反射結(jié)構(gòu)。代功強(qiáng)等[12]將UV光固化膠漿料倒入攪拌器，通過高速分散攪拌，然后加壓將料打入光固化涂布線料槽，利用逗號刮刀在膜層涂布厚約80um的UV光固化膠漿料，以一定速度輸送進(jìn)模具輥筒，壓印的同時經(jīng)紫外線照射成型。反射層的制備則是采用真空連續(xù)電鍍設(shè)備在光擴(kuò)散菲涅爾透鏡層工作面鍍上一層反射率為92%的鋁，然后在鋁反射層上鍍一層二氧化硅膜層。

3.3 PVC涂層結(jié)構(gòu)抗光投影幕

PVC涂層結(jié)構(gòu)抗光投影幕主要是利用物質(zhì)對特定波長的光線具有吸收或者反射的特性，來達(dá)到抗光的作用，常見的有黑鉆、銀鉆、黑晶、黑耀以及珍珠幕等。此類幕布主要是在PVC材質(zhì)的基材上涂覆不同的光學(xué)涂層，增強(qiáng)幕布對燈光或環(huán)境光等一些雜散光線的抑制能力[13]。如果涂層的顏色偏向深色系，對于畫面對比度的提高也具有一定的促進(jìn)作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。PVC抗光幕可同時兼顧長焦投影和短焦投影，抗光性比只針對一種焦距的幕布差。

圖4 PVC涂層結(jié)構(gòu)抗光投影幕示意Fig.4 Schematic diagram of light resistant projection screen with PVC coating structure

長焦抗光幕以PVC布基為底層，在其表面涂覆黑晶抗光涂層，在較亮的環(huán)境光下，不僅具有優(yōu)異的抗光效果，同時還可以提升畫面亮度[14]。新一代進(jìn)口長焦抗光幕，表面有高清抗光涂層，幕面呈銀灰色，可有效降低環(huán)境光對畫面的干擾性，使視野清晰自然，最大化提高畫面亮度與色彩。長焦抗光軟幕采用底層、PVC顯像處理層、高清投影涂層三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，遮蔽率達(dá)90%。黑鉆長焦抗光軟幕采用PVC幕面涂布深灰色涂層，環(huán)境光抑制率為85%，增益值達(dá)1.1。

3.4 PET光學(xué)微結(jié)構(gòu)抗光投影幕

PET光學(xué)微結(jié)構(gòu)抗光投影幕由多層膜物理微結(jié)構(gòu)組成，無色感基材可以有效還原投影的色彩，微結(jié)構(gòu)可以有效降低環(huán)境光對畫面效果的干擾，提升畫面對比度，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。幕布的特殊光學(xué)材料和構(gòu)造，支持極高的分辨率顯示，高清還原影片的真實(shí)色彩，帶來更加精致細(xì)密的景深效果和畫面立體感。與PVC抗光幕相比，其性能要好，但價格更高。

圖5 PET光學(xué)微結(jié)構(gòu)抗光投影幕示意Fig.5 Schematic diagram of PET optical microstructure anti light projection screen

PET光學(xué)微結(jié)構(gòu)抗光投影幕產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式多樣，不同的膜層其作用效果不同。專利CN201621060132.4[15]提供了一種可在強(qiáng)光環(huán)境中使用的正投投影屏幕（如圖6所示），其包括透明PET膜層，在透明PET膜層的一側(cè)表面上依次復(fù)合有百葉窗結(jié)構(gòu)光柵層、成像層和擋光層，百葉窗結(jié)構(gòu)光柵層復(fù)合于透明PET膜層的表面，包括若干個橫向均勻間隔設(shè)置的透明微結(jié)構(gòu)和橫向均勻間隔設(shè)置的遮光結(jié)構(gòu)，遮光結(jié)構(gòu)均勻分布于透明微結(jié)構(gòu)之間，用于遮擋環(huán)境光、降低環(huán)境光對成像的干擾；成像層用于投影設(shè)備投射光線成像，其復(fù)合于百葉窗結(jié)構(gòu)光柵層后側(cè)表面；擋光層由深色遮光材料制成，其復(fù)合于成像層的后側(cè)表面。專利CN201810785339.5[16]公開了一種中長焦距投影顯示屏幕，以靠近投影機(jī)一側(cè)的為外側(cè)，另一側(cè)為內(nèi)側(cè)，所述中長焦距投影顯示屏幕由外側(cè)至內(nèi)側(cè)依次為表面基材層、色層、擴(kuò)散層、基材底層和反射層（如圖7所示）。該顯示屏幕具有良好的抗環(huán)境光性能，即使在室內(nèi)明亮的環(huán)境下，也有較好的對比度，能夠使投影影像及色彩得到很好的呈現(xiàn)，同時還具有寬視角、反射光柔和減少視覺疲勞等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 一種可在強(qiáng)光環(huán)境中使用的正投投影屏幕Fig.6 A projection screen that can be used in strong light environment

圖7 一種中長焦距投影顯示屏幕Fig.7 A medium long focal length projection display screen

4 結(jié)語

隨著投影技術(shù)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對于中高端幕布的需求也越來越大，未來抗光投影幕布的發(fā)展趨勢可以歸納為以下三點(diǎn)。

（1）生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高將進(jìn)一步降低抗光投影幕布的生產(chǎn)成本，提高幕布產(chǎn)品的良品率，其價格優(yōu)勢將會更加突顯；

（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將會呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，從而進(jìn)一步滿足消費(fèi)者對于防眩光、防靜電、防污、耐刮傷、抗沖擊、可擦拭等多種多樣的需求；

（3）通過與其他技術(shù)相結(jié)合（如觸控技術(shù)、全息技術(shù)等），進(jìn)一步增強(qiáng)抗光投影幕布的功能性，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。