微球透射屏幕的光学原理、特性与结构
张海宏

    背投屏幕成像是因为光机与观看图像信息的人分别在屏幕的两侧，相对人的视觉来说屏幕是背面成像，该屏幕必须具有一定的透射性与扩散性，并且还要具有一定的亮度等基本性能，我们把这样的成像物体统称为背投屏幕。根据不同的使用环境，人们对背投屏幕又提出对应的要求，大范围观看使用时需要背投屏幕有一个较大的视角，狭窄空间时又需要有一个较高增益，在明亮的环境中使用又要求背投屏幕有抗外来光线能力，观看细节图像信息时又要求背投屏幕要有较高的分辨率，整体或拼接使用时又要求上下视角，在追求完美的同时人们还要求一些视觉对比以及屏幕在静态时的外观颜色与自然周边环境的匹配。早期，投影光机的亮度资源较差，屏幕的制造与技术还要考虑投影机的现有资源与能力。现在的工厂在配套选择时又要求焦距、性价比、平整度、耐划硬度、表屏镜像减返、耐老化等等，对背投成像屏幕的广泛要求已经超越了许多现有的光学成像器件的瓶颈与能力。早期的背投屏幕原材料主要以聚合能力较强并具有一定扩散性的 PMMA 甲基丙烯酸甲醋为主，由于材料较为单一，在制造上对其光学微细结构的设计非常苛刻，微细光学结构的形成必须借助模具以及相关的配套生产设备才能完成。挤出与浇注是 PMMA 形成成品的两种加工方式，在背投屏幕制造中两种方式都有厂家使用过，但是，挤出成型可以提高产能与效率，更多方式一般选择“挤出”。近年来随着光学设计以及原材料的进步，人们开始采用多种原材料，如： PMMA+PS MS+PET PET+PMMA PET+PS, 两种或两种以上结构材料前后贴膜等方式，这样做，是为了解决单一材料实现光的折射与扩散难度太大，无法实现人们的更高要求，使用两种以上不同折射率的物质借助光学微细结构，可起到良好的使用效果，产品从单一的材料扩充到多种材料的使用，降低了因材料单一带来的复杂光学结构设计的瓶颈。今天人们又开始利用凸版印刷方式配合微细光学物质，采用印刷技术，同样也利用两种以上不同折射率的光学物质来完成
    背投屏幕的制造。
    根据上述，我们可以看出，背投屏幕是集化工、模具、光学、电子、印刷、设计多行业整合的产物，可以想象其制造技术瓶颈是十分复杂的；再加上一个无尘大型生产环境以及生产设备，又出现了工厂成本瓶颈。没有近亿元的投入几乎无法
    实现背投屏幕完美功能的生产制造。
    背投屏幕的使用必须借助光学微细结构设计，经过几代的发展，屏幕的微细结构越来越细小，设计瓶颈给厂家带来了更多的阻碍，国内一些厂家大多停留在早期的技术状态，对屏幕的进化与设计缺少许多理论体系与技术支持。对屏幕成像的认识，还需要较长时间的学习与实践。
让我们来看一看屏幕的发展历程就知道我们所处的状态
单一结构 单一材质基 双材质基
散射屏 PMMA PMMA+PS
（毛玻璃） 柱面镜 + 条文镜 + 菲涅耳 PET+PMMA 磨砂玻璃或磨砂有机玻璃 棱镜 + 菲涅耳
原始 第一代 第二代
多材质基 + 印刷 多材质基 + 光学扩散物 + 印刷
PET+PMMA+PS 棱镜 + 扩散膜
菲涅耳 + 棱镜 多焦距涡旋光场设计 + 微球扩散
第三代 第四代
根据产品世代再看一下我们存在的各种瓶颈
光学结构设计瓶颈
模具瓶颈
成像光学理论与材基整合应用瓶颈
知识产权瓶颈
设备瓶颈
成本瓶颈
行业整合瓶颈
生产环境瓶颈
市场瓶颈
    除此以外，行业配套标准同样也是一个瓶颈
    背投屏幕长期以来一直在大屏幕细分市场中艰难的生存着，同时单一技术标准的背投屏幕又无法适应各种焦距的光机匹配，在专业工程市场是靠定制完成的。背投屏幕的价格由此居高不下，高成本给背投屏幕产业的发展带来了狭窄的利润空间。国内的一些厂家不甘寂寞一直利用低成本的散射幕跟随低标准工程生存到今天，时过境迁早期市场以不复存在，技术与产品在不断的进化，配套与标准已成为趋势。
关于背投屏幕的资料几乎都是泊来品。知情者就算是“专家”了。能创造一种新的结构；能掌握屏幕的制造方法，国际厂家没有给我们留下多少空间，要想实现国产化，创新与突破是我们的唯一出路。主动承担背投屏幕国产化进程的迪诺普公司，选用了微球透射技术屏幕，该屏幕是在柱面条纹屏幕的基础上增加了微球粒子的扩散功能改变了条纹间隙衍射光学结构，增加了屏幕的分辨率，更重要的是在光学结构上设计了涡旋光场导光点的螺旋排列，取缔了长期以来利用菲涅耳透镜改变光线方向的方法（菲涅耳存在焦距与镜像中心亮斑现象）。产品在制造中采用了多种不同折射率的光学材基与涂料，利用凸版印刷技术，该技术产品正在为中国 Lcos 微显示产业的配套而努力。
    让我们共同熟悉一下这个新型的微球面结构的光学屏幕吧

光线原理图：

图二

减返横条纹

投影机

入射光线

柱面镜条纹屏的光学结构

图三

微球结构光学型透射屏幕

微球结构光学型透射屏幕与传统柱面条纹屏的对比

	微球结构光学透射屏幕	柱面镜条纹屏
材基	复合材料 PMMA+PS	单一材基 PMMA
柱面镜使用方法	横向使用	竖向使用
衍射条纹	双凹 + 单凸棱镜	单凹棱镜或单凸棱镜
菲涅耳	不使用	使用
焦距	不存在焦距匹配	存在焦距匹配
涡旋光场	使用	使用
光学特性	使用多种折射率光学物质改善	用单一材质的光学结构设计改善

    柱面条纹光学背投屏幕是一种衍射光学器件，在背投屏幕中利用衍射原理，主要是为了解决外来光线对屏幕的干扰，有效的制止外来光线参与成像，衍射方式一般以条纹线状狭缝为结构，也就是我们常说的刻线（通过模具挤压成形），狭缝之间有黑色条纹用来阻隔外来光线的进入，同时也起到视觉对比的作用。各衍射狭缝之间相互干涉，使透过狭缝的光线相互作用通过规则散射成像。每一个衍射狭缝对应一个柱面镜，柱面镜与衍射狭缝之间有一定光距，幕基的厚度一般是柱面镜的 1.48 倍，黑色条纹线宽为柱面镜直径的 0.4 左右，由此构成真正意义上的衍射光栅。在所有背投屏幕中，由柱面镜条纹构成的光栅成像屏幕，给人们留下的印象最为深刻，成像效果也是最好的，是任何技术都无法取代的“衍射光栅”成像器件。

无论使用什么样的技术，背投屏幕成像是很容易的，只要具备一定的散射能力、光线透射能力都能实现背投成像，但是，如果要满足各种使用环境以及人们的各种理想要求，没有对应的光学设计是无法实现的。在微显示 Lcos 配套中我们要重点考虑背投屏幕的关键功能与参数。

•  背投屏幕的抗外来光线干扰能力。

•  屏幕成像后的均匀度。

•  屏幕的亮度（光线的透过率）

•  屏幕的增益

•  自主知识产权（国产化技术）

•  屏幕的抗变形能力

由于 Lcos 的出色表现，一些相关参数可以放在次要考虑与设计。如图像的分辨率、对比度，如果要求大视角，屏幕的增益也没有必要设定太高，一般设立在 1.0 — 1.8 之间即可满足视觉需求。

Lcos 微型显示配套屏幕的技术实施与方案。

本文提出的上述 6 项要求全部基于自主知识产权国产化标准以及 Lcos 的特性所需求的各项功能，供读者参考。

微球透射屏幕就是基于这 6 项要求设计的。屏幕在设计的过程中全部围绕这 6 项基本要求，光学原理见（图一）。

微球透射屏幕就是在柱面镜条纹屏幕的基础上创新的。利用不同于幕基折射率的微球光学粒子填加于幕基当中，每个光学微球粒子都具备一定的投射与折射力。光线通过时形成微小的涡旋光场，微球之间相互作用使屏幕的成像十分柔和，同时又起到了微细扩散作用使屏幕成像更加均匀，它的缺点；在使用上降低了屏幕的锐度，屏幕的设计保留了柱面镜的特性，在使用上是横向使用，增加了上下视角，利用使用上的区别，避开专利的束缚，同时在屏幕的结构上又保留了黑色条纹技术，但是在衍射结构上改变了柱面条纹屏的结构设计，见图一，它与图二传统的柱面条纹成像屏的区别就在于；微球透射屏采用双凹单凸的棱镜结构将衍射条纹增加了棱镜刻线，以提高因微球扩散而降低的屏幕成像锐度。整个微球透射屏幕保留了人们对柱面条纹成像屏的习惯与情有独钟，原理上避开了专利瓶颈，该屏幕在设计上最大的突破不仅如此，微球透射屏幕采用涡旋光场导光点制备于柱面镜表面，使屏幕在配套上解除了焦距配套问题、解除了使用菲涅耳结构带来的技术问题。涡旋光场导光点在柱面镜上的制备同样可以改变投影光线，同样提高光线的扩散均匀度，其全部光学原理见 图一、图四。

图四

本章结详细介绍了完全属于中国技术的微球透射屏幕的光学原理及其特性与结构。笔者从事该项技术研究多年，经过大量的实践，以形成初具规模的产业化能力，为我国的 Lcos 微显示事业起了推动的作用，为国产化配套奠定了稳定长期的基础，为全新条件下的光学背投屏幕需求提出了新的理论基础。本文力求使用通俗易懂的语言描述，避免使用一些专业光学理论分式，让更多的读者去理解受用。