一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种投影幕布及该幕布的制作方法，具体幕布属于短距激光投影用幕布。
背景技术
目前市场上用于短距激光投影的专用抗光投影屏幕包含：一个黑色基底层、复数个微棱镜结构及复数个吸光区。微结构系设置于该黑色基底层上，其中各微结构包含一光吸收面、一光反射面、及一底面；另外在光吸收面上还可以设置一光吸收面抗刮层，光吸收面抗刮层包覆该光吸收面的表面；在光反射面上还可以设置一光反射面抗刮层，光反射面抗刮层包覆光反射面的表面；通过设置抗刮层来保护微结构的表面；微结构的底面与黑色基底层相连接；各微结构的光吸收面、光反射面与底面三者连接形成三角棱形结构，具体结构可参见中国专利公开号为CN207718140U的抗刮投影银幕。
但上述结构设计形成的投影屏幕，其微棱镜结构的三角棱形结构顶端为一尖角，尖锐的顶角会在使用中容易造成磨损，进而发生剥离，致使抗刮能力减弱；同时，光吸收面抗刮层涂覆于三角形结构光吸收面上时须有一定厚度的涂层，改变了三角形结构角度，从而影响光吸收面吸收环境光的效果；光反射面抗刮层涂覆于三角形结构光反射面上时亦须有一定厚度的涂层，改变了三角形结构角度，也影响光反射面反射产生增益的效果。
并且，该结构设计下，环境光由各光吸收面进入各微结构后，被导引至黑色基底层，只透过黑色材质特性加以吸收，来提高影像的对比度及清晰程度，及达到避免光吸收面及光反射面受外物损伤之目的，但成效有限。
基于上述因素，为了进一步提高投影幕的技术水平，尽可能同时兼顾高对比度，和高抗刮性能，有必要进一步改进投影幕，以期满足市场需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕及其制作方法，以期提高投影幕的抗刮性能，同时提高对比度，使投影幕使用寿命更长，显示效果更好。
为达到上述发明的目的，本发明的第一方面，提供了一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕，包括基材层，及光学微结构阵列层；所述光学微结构阵列层设置在所述基材层上；
所述光学微结构阵列层的外向表面上设有按一定规律形成的近似三角棱形微结构；所述近似三角棱形微结构的三角形向上表面为光吸收面；所述近似三角棱形微结构的三角形向下表面为光反射面；
其特征在于：在所述光学微结构阵列层的表面，设置微结构，形成抗刮结构；所述抗刮结构包括：
在光吸收面设置抗刮结构；所述光学微结构阵列层的向上表面为第一光吸收面，在所述第一光吸收面的顶端设有第一抗刮凹槽，在所述第一抗刮凹槽内填充有吸收面抗刮层，所述吸收面抗刮层的向上表面形成第二光吸收面；所述第一光吸收面与所述第二光吸收面相衔接，形成完整的所述近似三角棱形微结构的光吸收面；
在光反射面设置抗刮结构；所述光学微结构阵列层的向下表面为第一光反射面，在所述第一光反射面的顶端设有第二抗刮凹槽，在所述第二抗刮凹槽内填充有反射面抗刮层，所述反射面抗刮层的向下表面形成第二光反射面；所述第一光反射面与所述第二光反射面相衔接，形成完整的所述近似三角棱形微结构的光反射面。
作为本发明的进一步改进，在光吸收面与光反射面衔接处设置抗刮结构。
进一步，所述抗刮结构为在所述三角棱形微结构的三角形向外侧的顶端，即所述光吸收面与光反射面衔接处设置交接圆角；
进一步，所述交接圆角设置在所述光学微结构阵列层、或所述吸收面抗刮层与所述反射面抗刮层衔接部位的顶端。
作为本发明的进一步改进，所述近似三角棱形微结构的凸出高度，即所述近似三角棱形微结构顶端的所述交接圆角距其底端构成的平面距离为150-300μm；
所述第一抗刮凹槽的深度为1um～50um，所述第一抗刮凹槽的长度为5um～50um；所述第一抗刮凹槽内填充的所述吸收面抗刮层厚度为1um～60um；
所述第二抗刮凹槽的深度为1um～50um，所述第二抗刮凹槽的长度为100um～250um；所述第二抗刮凹槽内填充的反射面抗刮层厚度为1um～60um；
所述交接圆角的圆弧半径为2um～40um。
作为本发明的进一步改进，在所述基材层与所述光学微结构阵列层之间，设置漫反射结构；所述漫反射结构为凹凸雾面，所述凹凸雾面为不规则形状的微结构。
进一步的，所述凹凸雾面为环境光吸收面，所述凹凸雾面的表面粗糙度Ra值为0.10um～3.5um。
进一步的，所述基材层包括支撑基材层和吸收基材层；所述吸收基材层的表面设有所述凹凸雾面，通过所述凹凸雾面与所述光学微结构阵列层进行连接。
进一步的，所述吸收基材层为透明黑色材质，材质穿透率为5.5％～20％，厚度为10～45um。
进一步的，所述光学微结构阵列层为透明黑色材质，材质穿透率为10％～35％。
本发明的第二方面，提供了一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕的制作方法，其特征在于包括步骤：
a)光学微结幕布基布的制作；在基材层薄膜的表面，涂覆预先配制好可经紫外线照射固化的透明黑丙烯酸系树脂，再经具有光学微结构阵列模具辊进行压印，形成光学微结构阵列，最后经紫外线照射固化，形成光学微结幕布基布；
其中，所用到的光学微结构阵列模具辊，利用经过光学结构角度设计加工的车刀对旋转的模具辊坯表面进行车削加工等机床制作而形成；
b)吸收面抗刮层与反射面抗刮层的制作；以涂布或涂装方式将耐磨涂料涂覆于光学微结构阵列层第一抗刮抗刮凹槽及第二抗刮抗刮凹槽表面，形成吸收面抗刮层与反射面抗刮层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤b中，耐磨涂料的涂覆面积超出所述第一抗刮抗刮凹槽或第二抗刮抗刮凹槽，采用激光雕刻等方式，对吸收面抗刮层与反射面抗刮层进行刻蚀，留下位于微结构阵列层上半部的第二光吸收面，及留下位于微结构阵列层下半部近倒圆角侧的第二光反射面。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤a之前，制作光学微结幕布基布，所述光学微结幕布基布包括支撑基材层和吸收基材层；所述光学微结幕布基布的表面设有凹凸雾面；所述光学微结幕布基布的制作步骤为：
选取支撑基材层的薄膜，在其表面涂覆黑色透明树脂材料形成吸收基材层的毛坯；利用模具辊压印或挤出工艺，将黑色透明树脂施加在其表面形成具不规则微结构的凹凸雾面，最终形成基材层；
其中，吸收基材层为具有一定穿透率的黑色环境光吸收层；
其中，所用到的模具辊，选用表面镀有铜或其他适于镀镍的模具辊坯，以电镀雾镍方式制得表面不规则凹凸雾面结构；或以压缩空气为动力，形成高速喷射束，将内含铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂或玻璃砂等喷料高速喷射冲击和切削模具辊坯的表面，使模具辊的外表面形状发生不同的粗糙度变化，产生不规则微表面结构。
进一步的，所述光学微结构阵列层的材料，为丙烯酸系黑色透明树脂材料，可经紫外线照射固化，固化后穿透率介于10％～35％；其中，树脂内填充铁粉/碳/氧化铜/二氧化锰/四氧化三铁等黑色物质；
所述吸收面抗刮层、反射面抗刮层的材料，为耐磨涂料。
再进一步的，所述支撑基材层的材料，为聚酯树脂材料或聚碳酸酯材料，具有可折弯且透明的物理特性；
所述吸收基材层13的材料，为丙烯酸系黑色透明树脂材料，可经紫外线照射固化，固化后穿透率介于5.5％～20％。
一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕，通过在近似三角棱形微结构的顶部，设置抗刮结构，包括吸收面抗刮层及反射面抗刮层；同时在光吸收面与光反射面衔接处设置交接圆角；通过特殊的耐磨材料及圆弧结构，来提高投影幕的抗刮性能。
一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕的制作方法，在常规投影幕的基础上，进行抗刮层的微结构制作；整体方法步骤清晰，简单，易于实现。
一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕及其制作方法，跟现有技术相比具有以下优点：
(1)抗刮性能显着提高，大大提高了投影幕的使用寿命；
(2)进一步进行结构改进，提高对比度，使投影幕的显示效果更佳；
(3)制作方法步骤清晰、简单，易于制造。
附图说明
图1为本发明的投影幕截面局部结构示意图；
图2为本发明的投影幕截面局部放大结构示意图；
图3为本发明的投影幕截面局部进一步放大结构示意图；
图4为本发明的基材层截面局部结构示意图；
图5为本发明的光学微结构阵列层截面局部结构示意图；
图6为本发明的基材层的结构示意图；
附图标记：基材层1，凹凸雾面11；支撑基材层12，吸收基材层13；
光学微结构阵列层2，第一光吸收面21，第一光反射面22；第一抗刮凹槽23，第二抗刮凹槽24；交接圆角25；
吸收面抗刮层3，第二光吸收面31；反射面抗刮层4，第二光反射面41。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
如图1所示，为本发明一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕的截面局部结构示意图，本发明的投影幕主要用于配套下投式短距激光投影仪，本发明的投影幕整体结构同样包括基材层1，及光学微结构阵列层2。
其中，所述光学微结构阵列层2的外向表面上设有按一定规律形成的近似三角棱形微结构；所述近似三角棱形微结构的三角形向上表面为光吸收面，用来透过及吸收环境光；所述近似三角棱形微结构的三角形向下表面为光反射面，用来反射投影光源，形成投影画面。
本发明的第一方面为，在所述光学微结构阵列层2的表面，设置微结构，形成抗刮结构，参见图2、图3，具体的抗刮结构设置如下：
1、光吸收面设置抗刮结构；所述光学微结构阵列层2的向上表面为第一光吸收面21，在所述第一光吸收面21的顶端设有第一抗刮凹槽23，在所述第一抗刮凹槽23内填充有吸收面抗刮层3，所述吸收面抗刮层3的向上表面形成第二光吸收面31；所述第一光吸收面21与所述第二光吸收面31相衔接，形成完整的所述近似三角棱形微结构的光吸收面。
2、光反射面设置抗刮结构；所述光学微结构阵列层2的向下表面为第一光反射面22，在所述第一光反射面22的顶端设有第二抗刮凹槽24，在所述第二抗刮凹槽24内填充有反射面抗刮层4，所述反射面抗刮层4的向下表面形成第二光反射面41；所述第一光反射面22与所述第二光反射面41相衔接，形成完整的所述近似三角棱形微结构的光反射面。
3、光吸收面与光反射面衔接处设置抗刮结构；在所述三角棱形微结构的三角形向外侧的顶端，即所述光吸收面与光反射面衔接处设置交接圆角25；所述交接圆角25可以设置在所述光学微结构阵列层2的顶端(参见图3)，也可以设置在所述吸收面抗刮层3与/或所述反射面抗刮层4相衔接部位的顶端；最终都是在所述三角棱形微结构的三角形向外侧的顶端形成圆弧倒角，以代替原来的尖角；通过设置圆弧倒角，防止顶端被刮擦磨损，提高抗刮性能。
进一步的，受所述近似三角棱形微结构在本发明一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕中应用的尺寸限制，所述近似三角棱形微结构的凸出高度，即所述近似三角棱形微结构顶端的所述交接圆角25距其底端构成的平面距离为150-300μm，在此情况下，上述抗刮结构的具体尺寸如下：
1、所述第一抗刮凹槽23的深度为1um～50um，所述第一抗刮凹槽23的长度为5um～50um；
所述第一抗刮凹槽23内填充的所述吸收面抗刮层3厚度为1um～60um，其厚度对应第一抗刮凹槽23深度为1um～50um，从而确定填充量；
所述吸收面抗刮层3外表面即所述第二光吸收面31，由交接圆角25与第一光吸收面21以接近于光吸收面的面连接后所构成的平面或曲面；
2、所述第二抗刮凹槽24的深度为1um～50um，所述第二抗刮凹槽24的长度为100um～250um；
所述第二抗刮凹槽24内填充的反射面抗刮层4厚度为1um～60um，其厚度对应第二抗刮凹槽24深度为1um～60um，从而确定填充量；
所述反射面抗刮层4外表面即所述第二光反射面41，由交接圆角25与第一光反射面22以接近于光反射面的面连接后所构成的平面或曲面；
3、所述交接圆角25的圆弧半径为2um～40um；
所述交接圆角25可以设置在所述光学微结构阵列层2的顶端；也可以由所述吸收面抗刮层3或所述反射面抗刮层4向顶部延伸，形成圆弧，最终都是在所述三角棱形微结构的三角形向外侧的顶端形成圆弧倒角。
所述吸收面抗刮层3、所述反射面抗刮层4的材料中混入了耐磨材料，可达到避免吸收面及反射面受外物摩擦损伤之目的。
所述吸收面抗刮层3的长度较短，其位于外力较易接触到的上表面，可以在充分保障抗刮性能的同时，保有良好的环境光吸收效果。
所述反射面抗刮层4的长度相对较长，其不仅起到了抗刮作用，还起到了光反射作用。
为了有效的吸收来自上方的环境光，第一光吸收面21与竖直面所形成的夹角介于60°～90°；为了有效的反射来自下方的投影光源，第一光反射面22与竖直面所形成的夹角介于20°～60°。
第一光吸收面21主要功能为吸收环境光，吸收面抗刮层3所形成的第二光吸收面31位于微结构阵列层2的上表面，主要起到抗刮的功能；环境光的吸收主要还是由第一光吸收面21所承担。
第一光反射面22与反射面抗刮层4所形成的第二光反射面41主要功能为反射与抗刮，特别的反射面抗刮层4主要面向投影仪光源，其主要作为光放射区，从而要求反射面抗刮层4具有较佳的反射效果。
受限于生产工艺，所述吸收面抗刮层3与所述反射面抗刮层4，一次性成型，故所采用的材质、及所表现出来的物理特性一致，为了保障投影效果，优先保障具有较好的光反射性能，故为了减小所述吸收面抗刮层3对自然光的反射，所述第二光吸收面31长度设置较短；而所述第二光反射面41的长度需要根据投影仪相对于投影幕的设置距离及光源投影角度，进行设置，其长度相对较长。
本发明的第二方面为，为了提高投影幕的对比度，进一步对基材层1进行结构改进；在所述基材层1与所述光学微结构阵列层2之间，设置漫反射结构，如图1、图4、图5所示。为了支撑近似三角棱形微结构阵列，所述光学微结构阵列层2设有一定厚度的基底20；所述基底20与所述基材层1接触部位的所述漫反射结构为凹凸雾面11；所述凹凸雾面11为不规则形状的微结构，其可将进入到所述光学微结构阵列层2的环境光进行漫反射，从而增加投影画面的对比度。
再进一步的，由于材料的物理性能限制，为了起到支撑作用，一般基材层1采用树脂材料制成，其对光的吸收效果较差；故为了进一步提高投影幕的对比度，所述基材层1又可以分为支撑基材层12和吸收基材层13，如图6所示；所述吸收基材层13的表面设有所述凹凸雾面11，通过所述凹凸雾面11与所述光学微结构阵列层2进行连接；所述吸收基材层13为透明黑色，材质穿透率为5.5％～20％，厚度介于10～45um；其凹凸雾面11为环境光吸收面，表面粗糙度Ra值介于0.10um～3.5um，进一步增加环境光源的吸收效果。
所述光学微结构阵列层2由另一种透明黑色树脂制成，具优异弹性及耐磨性，同时材料有10％～35％穿透率，保有一定程度的光线传导与散射性能，可以吸收大部分的环境光，从而提高对比度。再通过设置所述吸收基材层13，及所述凹凸雾面11，提高环境光吸收率，进一步提高了对比度。
由此，本发明一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕，选用支撑基材层12的薄膜，在其表面涂覆透明黑色树脂形成吸收基材层13的毛坯，经机械加工(涂布、或挤出)在表面形成不规则的凹凸雾面11，形成基材层1；在凹凸雾面11的表面涂覆透明黑色树脂形成光学微结构阵列层2的毛坯，然后经压印形成带有第一抗刮凹槽23，第二抗刮凹槽24的近似三角棱形微结构阵列，即光学微结幕布基布；最后，在光学微结幕布基布的近似三角棱形微结构表面涂覆抗刮材料，材料依靠自身张力最后凝固或经机械修正，形成第二光吸收面31、第二光反射面41，即形成本发明的一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕。
本发明的第三方面为，提供了一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕的生产工艺：
1、材料的设计
(1)支撑基材层12的材料，优选为聚酯树脂材料或聚碳酸酯材料，具有可折弯且透明的物理特性；具体来说，可以选择如下具体材料：
聚酯树脂(PET,polyester resin)、聚丙烯酸酯树脂(PMMA,polyacrylateresin)、聚烯烃树脂(PO,polyolefin resin)、聚碳酸酯树脂(PC,polycarbonate resin)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(AB S,Acrylonitrile Butadiene Styrene resin)、聚苯乙烯(PS,Polystyrene resin)、聚氨基甲酸酯树脂(PU,polyurethane resin)、三醋酸纤维素(TAC)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)或聚氯乙烯(PVC)等等。
(2)吸收基材层13的材料，优选为丙烯酸系黑色透明树脂材料，可经紫外线照射固化，固化后穿透率介于5.5％～20％；具体来说，主体材料可以选择如下具体材料：
丙烯酸酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯树脂、芳香族聚氨酯丙烯酸酯树脂和聚酯丙烯酸酯树脂等。
(3)光学微结构阵列层2的材料，优选为丙烯酸系黑色透明树脂材料，可经紫外线照射固化，固化后穿透率介于10％～35％；其中，树脂内填充铁粉/碳/氧化铜/二氧化锰/四氧化三铁等黑色物质；具体来说，主体材料可以选择如下具体材料：
丙烯酸酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯树脂、芳香族聚氨酯丙烯酸酯树脂和聚酯丙烯酸酯树脂等。
(4)吸收面抗刮层3、反射面抗刮层4的材料，优选为耐磨涂料；具体来说，主体材料可以选择如下具体材料：
改性聚氨酯丙烯酸酯、改性丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、2-苯氧基乙基丙烯酸酯等1种或1种以上的树脂；并在树脂内混入适量的钛白粉、石英粉、锆酸酐、矾土等1种或1种以上的添加物，形成耐磨涂料。
2、工艺的设计
步骤(1)，制作基材层1；选取支撑基材层12的薄膜，在其表面涂覆黑色透明树脂材料形成吸收基材层13的毛坯；利用模具辊压印(nanoimprint)或挤出工艺(extrusionmoldingprocess)，将黑色透明树脂施加在其表面形成具不规则微结构的吸收基材层，即凹凸雾面11，最终形成基材层1；其中，吸收基材层13为具有一定穿透率的黑色环境光吸收层；
其中，所用到的模具辊，选用表面镀有铜或其他适于镀镍的模具辊坯，以电镀雾镍方式制得表面不规则凹凸雾面结构；或以压缩空气为动力，形成高速喷射束，将内含铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂或玻璃砂等喷料高速喷射冲击和切削模具辊坯的表面，使模具辊的外表面形状发生不同的粗糙度变化，产生不规则微表面结构。
步骤(2)，制作光学微结幕布基布；在所述基材层1的基础上，涂覆预先配制好可经紫外线照射固化的透明黑丙烯酸系树脂，再经具有光学微结构阵列模具辊进行压印(nanoimprin t)，形成光学微结构阵列，最后经紫外线照射固化，形成光学微结幕布基布；
其中，所用到的光学微结构阵列模具辊，利用经过光学结构角度设计加工的车刀对旋转的模具辊坯表面进行车削加工等机床制作而形成。
步骤(3)，形成吸收面抗刮层3与反射面抗刮层4；以涂布或涂装方式将耐磨涂料涂覆于光学微结构阵列层第一抗刮凹槽23及第二抗刮凹槽24表面，形成吸收面抗刮层3与反射面抗刮层4；
经精确涂布，耐磨涂料在涂布后受液体表面张力作用，固化后可以形成微微凸起的曲面，即形成第二光吸收面31、第二光反射面41；
如涂布精度不够，则需要扩大涂布面积，然后采用激光雕刻等方式，对吸收面抗刮层3与反射面抗刮层4进行刻蚀，留下位于微结构阵列层上半部的第二光吸收面31，及留下位于微结构阵列层下半部的第二光反射面41。
经上述步骤，即最终形成本发明的一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕。
产品实施与性能测试
1、产品实施例
因模具、测试生产工艺受限，上述实施例中，近似三角棱形微结构高度仅取常规尺寸200um；吸收基材层13厚度25um。
2、产品性能测试
选择市售产品作为对比例，其中：
对比例1为：CBSP超短焦前投屏幕
(1)对比度测试
在环境光照度150±5Lux条件下，于明室中从投影机将白色影像与黑色影像分别投射至屏幕，以辉度计分别测量出屏幕中心的辉度值；对比度为明室白辉度与明室黑辉度的比值；相关对比度测试结果汇总如下：
注：用斜体数值，标明效果差于对比例1；用加粗下划线数值，标明该项测试最佳数值。
对比可知，本发明实施例的对比度测试具体数值，其中实施例1的数值不是很理想，略逊于对比例1的数值；而实施例2的数值则接近对比例1的数值；其与实施例的数值均优于对比例1的数值。
(2)耐磨性能测试
以Taber耐磨试验机进行耐磨性能测试，选用CS-5羊毛毡，并负荷250g±lg的重量，额定转数设置为60r/min加以磨耗，到计数器记录至60转时；试验机停止后取出试件，观察试件涂层磨后是否无磨损或磨穿；重复上述步骤2～6次以比较涂层耐磨耗能力。
参考执行标准为ASTM D 3884-2009。
相关对比度测试结果汇总如下：
符合含义：OK，无磨损或磨穿；×，发生磨损；○，发生磨穿
注：用加粗字体，标明该项测试优于对比例1状态。
对比可知，本发明实施例的耐磨性测试中，实施例1的性能与对比例1一致；其余实施例均优于对比例1。
实施例1采用了较低的生产成本，实现了基本相似的性能；而从实施例2开始，性能均有所提升。
经上述测试可知，本发明所提供的一种用于激光投影的高对比度抗刮投影幕，其耐磨性能大大提高；而且对比度值也有所提高，一定程度上提升了投影幕的显示性能。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不仅限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
