專利名稱：圖像顯示裝置以及它所使用的菲涅爾透鏡片和屏幕的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用從斜方向向背面投影型屏幕投影圖像發(fā)生源的圖像的傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)的投影型圖像顯示裝置，以及該圖像顯示裝置所使用的菲涅爾透鏡片和背面投影型屏幕。
背景技術(shù)：
為了與投影型圖像顯示裝置的薄型化對(duì)應(yīng)，已經(jīng)知道了使用反射鏡從相對(duì)屏幕的斜方向投影放大圖像的構(gòu)成，即所謂的使用傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成。此時(shí)，放大圖像相對(duì)屏幕傾斜投影(即屏幕主平面的垂線和放大圖像的中央的光入射方向形成規(guī)定的角度)，所以，投影在屏幕上的圖像變形。這里，為了修正該變形，例如根據(jù)特開2002-341452號(hào)公報(bào)已經(jīng)知道在上述反射鏡的一部分采用由彎曲面形成的曲面反射鏡的圖像顯示裝置的構(gòu)成。
通常，在上述圖像顯示裝置中，如果該畫面尺寸相同，其縱深薄的程度、重量、成本、設(shè)置空間等方面是有利的。即，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，為了降低圖像顯示裝置的縱深，對(duì)屏幕傾傾斜投影放大圖像。結(jié)果，為了修正由于該傾斜的圖像投影所產(chǎn)生的梯形形狀的圖像變形，采用了使用在光路中設(shè)置上述曲面反射鏡的投影光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成。
可是，優(yōu)選是在屏幕上不管觀察它的位置而得到其整個(gè)面均勻亮度的圖像。為此，需要來自投影透鏡的放大圖像光在從該屏幕射出時(shí)，相對(duì)上述觀察側(cè)大致平行。為了實(shí)現(xiàn)該目的，通常情況下，使用具有原始面帶有球面棱鏡面的同心圓狀菲涅爾透鏡的菲涅爾透鏡片，來作為上述屏幕的一個(gè)構(gòu)成元件。這里，原始面是指由連接菲涅爾透鏡片整體的各個(gè)棱鏡面的曲線，即由菲涅爾透鏡片整體的全部棱鏡面的集合的包絡(luò)線所形成的假想的面。通過將該原始面形成為球面，能夠使從投影透鏡的射出孔放射狀向屏幕各個(gè)點(diǎn)投影的圖像光，通過各個(gè)棱鏡面沿著與屏幕垂線平行的方向折射，遍及屏幕的整個(gè)面使射出光平行(即為與屏幕垂線平行的方向)。
但是，在上述現(xiàn)有技術(shù)中能夠產(chǎn)生下面的問題。即從投影透鏡射出孔向著屏幕的圖像光通過傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)所包含的曲面反射鏡反射時(shí)，根據(jù)該曲面反射鏡的反射位置，向著屏幕的入射光的角度變化。即，在使用上述傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)的情況下，從投影透鏡的射出孔向著屏幕的圖像光，不是一樣地放射。為此，利用上述的原始面是球面的菲涅爾透鏡片，在屏幕的整個(gè)面上使得來自投影透鏡的放大圖像光大致平行地射出是困難的。因此，來自菲涅爾透鏡片的射出角度是不均勻的，在從觀察側(cè)看它的情況下，會(huì)產(chǎn)生在屏幕上投影的圖像的亮度是不均勻的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種縮短裝置的縱深、使得向屏幕上投影的圖像的亮度更均勻的技術(shù)。
本發(fā)明的特征在于，將在上述菲涅爾透鏡片上形成的菲涅爾透鏡的原始面，形成為與光線對(duì)上述屏幕的入射角對(duì)應(yīng)的非球面形狀。此時(shí)，各個(gè)棱鏡面的菲涅爾角是，與菲涅爾透鏡片下部相比上部的菲涅爾角大。通過這樣，能夠使得向所述菲涅爾透鏡片的入射面入射的投影圖像，遍及所述屏幕的大致整個(gè)面，從該菲涅爾透鏡片的射出面以射出角大致0度射出。
優(yōu)選，上述菲涅爾透鏡形成為以同一點(diǎn)為中心的同心圓狀，該中心點(diǎn)位于所述屏幕(圖像顯示區(qū)域)的外側(cè)。另外，優(yōu)選，用于對(duì)屏幕傾斜投影放大圖像的投影光學(xué)部，包括用于修正由于向屏幕的傾斜投影導(dǎo)致的變形和像差的曲面的、折射型自由曲面和/或反射型自由曲面的至少一個(gè)。
如根據(jù)上述這樣的構(gòu)成，既使在使用具有用于修正由于傾斜投影產(chǎn)生的梯形形狀的圖像變形的曲面的投影光學(xué)系統(tǒng)的情況下，也能夠?qū)?yīng)于起因于來自該曲面的反射的向屏幕的入射光線的入射角的變化。即，既使產(chǎn)生這樣的入射角的變化，根據(jù)與此對(duì)應(yīng)的具有菲涅爾角的菲涅爾透鏡，能夠使得入射光線沿著與屏幕垂線基本平行的方向(與屏幕主平面垂直的方向)折射，射出。因此，如按本發(fā)明的構(gòu)成，能夠遍及屏幕的整體，使射出光的射出方向匯聚成與屏幕垂線大致平行，實(shí)現(xiàn)了圖像顯示裝置的縱深尺寸的降低，能夠得到均勻亮度的投影圖像。
如根據(jù)本發(fā)明，能夠縮短裝置的縱深，且使得向屏幕上投影的圖像的亮度更均勻地顯示高畫質(zhì)的圖像。


圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖像顯示裝置的構(gòu)成的一個(gè)例子的截面圖。
圖2是本實(shí)施方式的背面投影型屏幕的立體圖。
圖3是說明本實(shí)施方式的菲涅爾透鏡片中設(shè)定構(gòu)成菲涅爾透鏡的棱鏡部形狀的方法的圖。
圖4是表示本實(shí)施方式的背面投影型屏幕的入射光線的入射角度的分布的圖。
圖5是表示本實(shí)施方式的背面投影型屏幕的射出光線的射出角度的分布的圖。
圖6是表示本實(shí)施方式的菲涅爾透鏡片的棱鏡面和原始面的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖來詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
首先，附圖1是本發(fā)明的圖像顯示裝置的截面立體圖。在圖中，圖像發(fā)生源1也可以包括例如投影型布勞恩管。另外，也可以包含反射型/透過型液晶面板、或者具有多個(gè)微小的反射鏡的顯示元件等的圖像調(diào)制元件。在使用這樣的圖像調(diào)制元件的情況下，圖像發(fā)生源還包括用于向該圖像調(diào)制元件照射光的水銀燈等光源，圖像調(diào)制元件對(duì)應(yīng)于輸入圖像信號(hào)對(duì)每個(gè)像素調(diào)制來自該光源的光，來形成圖像。通過這樣，在圖像發(fā)生源1的顯示畫面上顯示小型圖像。用于將該小型圖像向背面投影型屏幕3放大投影的投影光學(xué)系統(tǒng)，從圖中可明白，包括作為圖像放大部的投影透鏡2，用于向背面投影型屏幕3放大、投影所述圖像；第一曲面反射鏡4，反射從該投影透鏡射出的圖像光；第二曲面反射鏡5，反射由該第一曲面反射鏡4反射的圖像光；例如平面狀反射鏡6，為了降低圖像顯示裝置的縱深，反射由所述第二曲面反射鏡5反射的圖像光。這些投影透鏡2、第一曲面反射鏡4、第二曲面反射鏡5和平面狀反射鏡6，設(shè)置在從圖像發(fā)生源1到背面投影型屏幕3的光路途中。而且，這些元件收納在圖像顯示裝置的框體7的內(nèi)部，固定在規(guī)定的位置。
即，如果根據(jù)說明上述構(gòu)成的圖像顯示裝置，從投影透鏡2射出的圖像光傾斜地向背面投影型屏幕3投影。即，圖像中心的光線(從圖像調(diào)制元件的中心位置發(fā)出的光線)相對(duì)于投影型屏幕3的主平面的垂線，以規(guī)定的角度從下方投影。該傾傾斜投影的圖像光在背面投影型屏幕3上產(chǎn)生上述梯形變形的同時(shí)，產(chǎn)生像差。為此，如果上述第一曲面鏡4和上述第二曲面鏡5來修正它們。
附圖2表示了本發(fā)明的圖像顯示裝置的背面投影型屏幕3的詳細(xì)構(gòu)造的一個(gè)例子。即，圖2表示切取背面投影型屏幕3的一部分放大的立體圖。如圖所明白的那樣，該背面投影型屏幕3具有用于確定該棱鏡面的菲涅爾角的原始面為非球面形狀的折射型的菲涅爾透鏡，具有所謂的非球面菲涅爾透鏡片8(下面僅稱為“菲涅爾透鏡片”)和雙凸透鏡片9。這里，如圖所示那樣，菲涅爾透鏡在菲涅爾透鏡片8的光射出面上以某個(gè)點(diǎn)為中心同心圓狀地形成多個(gè)。另外，菲涅爾角指的是棱鏡面和菲涅爾透鏡片主平面所形成的角度。如果根據(jù)這樣構(gòu)成的背面投影型屏幕3，從圖中的箭頭a的方向投影的放大投影圖像(未圖示)的光，通過上述菲涅爾透鏡片8的作用，即通過構(gòu)成片的菲涅爾透鏡的非球面棱鏡的作用，變換為與背面投影型屏幕3的主平面的垂線大致平行的光。或者，上述放大投影圖像的光變換為向著內(nèi)側(cè)一些、即變換為向著背面投影型屏幕3的中心的光。即，從菲涅爾透鏡片8射出的光的射出角，即相對(duì)上述背面投影型屏幕3的垂線的角度，為大致0度。之后，從菲涅爾透鏡片8射出的光向雙凸透鏡片9入射。而且，如圖所示，雙凸透鏡片9形成為沿著屏幕畫面水平方向排列多個(gè)將屏幕畫面的垂直方向作為長度方向的雙凸透鏡的形狀。為此，具有將從菲涅爾透鏡片8射出的光向著屏幕畫面水平方向擴(kuò)散的作用。另外，在上述雙凸透鏡片9的射出面的與雙凸透鏡的邊界相對(duì)的位置，形成沿著畫面垂直方向延伸的黑條10。通過這樣，吸收從屏幕射出側(cè)入射的外部光。此外，該雙凸透鏡片9由摻入擴(kuò)散材料11的透明樹脂材料形成。為此，該混入的擴(kuò)散材料11具有沿著屏幕畫面水平和垂直方向擴(kuò)散所述圖像光的作用。
而且，雖然沒有圖示，也可以在雙凸透鏡片9的光射出側(cè)配置平面狀的前面片。或者，也可以使用粘合劑等將前面片和雙凸透鏡片9互相結(jié)合形成一體。此外，也可以不向雙凸透鏡片9中混入擴(kuò)散材料11，而混入前面片中。還可以在前面片9的光射出面形成防止反射膜或者硬膜。另外，在圖2中，在與雙凸透鏡片9的射出面的雙凸透鏡相對(duì)的位置，即雙凸透鏡的焦點(diǎn)部，形成第二雙凸透鏡，但在使用上述圖像調(diào)制元件作為圖像發(fā)生源1的情況下，也可以將上述焦點(diǎn)部形成平面狀。優(yōu)選在雙凸透鏡片9和前面片結(jié)合的情況下，使得兩者的結(jié)合面不包含空氣地結(jié)合。
接著，參照附圖3的示意圖來詳細(xì)地說明在上述菲涅爾透鏡片8上所形成的菲涅爾透鏡上，設(shè)置同心圓狀形成的多個(gè)棱鏡面的面形狀(所謂的菲涅爾透鏡的原始面)的方法。而且，象上述那樣，構(gòu)成該菲涅爾透鏡片8的菲涅爾透鏡片的棱鏡面形成為以某個(gè)點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)軸)為中心的同心圓狀。而且，用于確定各個(gè)菲涅爾透鏡的棱鏡面的菲涅爾角、即該棱鏡面和菲涅爾透鏡片8的主平面所形成的角度的原始面，是非球面形狀。這里，作為原始面，象上述那樣，是用于確定各個(gè)棱鏡面的菲涅爾角的面，指的是將菲涅爾透鏡片8整體形成為一個(gè)透鏡時(shí)的該透鏡面。即，在設(shè)定菲涅爾透鏡的棱鏡面的菲涅爾角的情況下，首先，菲涅爾透鏡片8整體假想為具有某一個(gè)透鏡特性，將該透鏡面形狀設(shè)定為原始面。之后，將該原始面的與菲涅爾透鏡片8各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的形狀(例如該各個(gè)點(diǎn)的原始面的切線)在菲涅爾透鏡片8的面上展開。通過這樣，設(shè)定該菲涅爾透鏡片8各個(gè)點(diǎn)的棱鏡面的菲涅爾角。因此，將菲涅爾透鏡片整體的各個(gè)棱鏡面對(duì)應(yīng)該菲涅爾角連接的曲線，即菲涅爾透鏡片整體的包含全部棱鏡面的集合的包絡(luò)線，表示上述原始面。因此，角菲涅爾透鏡片各個(gè)點(diǎn)的棱鏡面的光折射方向，根據(jù)與該各個(gè)棱鏡對(duì)應(yīng)的上述原始面的形狀來確定。而且，上述旋轉(zhuǎn)軸與菲涅爾透鏡片8的主平面(圖的xy面)正交(圖的包含z軸的面)。另外，該旋轉(zhuǎn)軸包括向菲涅爾透鏡片8入射的光線13與左右相等地垂直分割菲涅爾透鏡片8的面14(與yz面平行的面)相交的點(diǎn)15。即，旋轉(zhuǎn)軸是與菲涅爾透鏡片8的主平面垂直的軸，即圖3的軸12。
但是，在上面的描述中，入射的光線13根據(jù)屏幕上的位置其入射角度(相對(duì)入射面的垂線的角度)變化，所以，在這里，根據(jù)上述求出的軸12也存在多個(gè)。而且，這些多個(gè)軸中處于該基本中央的軸為菲涅爾透鏡的旋轉(zhuǎn)軸(即構(gòu)成菲涅爾透鏡的同心圓狀棱鏡的中心位置)。
接著，如下求出上述各個(gè)棱鏡面的菲涅爾角的形狀(角度)。首先，一邊利用菲涅爾透鏡片8的棱鏡面折射向著屏幕的入射光線，一邊對(duì)于菲涅爾透鏡片8的各個(gè)點(diǎn)利用斯涅耳折射定律(Snell’s law)求出為了沿著上述垂線方向射出的(射出角為0度)棱鏡的角度。接著，連接該求出的棱鏡面，形成上述菲涅爾透鏡的原始面(非球面)。而且，該求出的原始面通過非球面公式來近似。此時(shí)，還進(jìn)行近似的非球面系數(shù)和實(shí)際的光線射出角的比較，為了使射出角為大致0度，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的位置或者非球面系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)?、必要的修正?或改變。
這樣，通過上述求出的要素，即為構(gòu)成菲涅爾透鏡的同心圓狀的棱鏡部的旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)軸位置，和由該各個(gè)棱鏡面的集合所形成的原始面的非球面系數(shù)，構(gòu)成上述菲涅爾透鏡片8。如這樣構(gòu)成菲涅爾透鏡片8，在圖像顯示裝置的投影光學(xué)系統(tǒng)中，能夠通過設(shè)置在圖像光的光路的途中的曲面反射鏡(第一曲面反射鏡4和第二曲面反射鏡5)，將從屏幕的射出角設(shè)為大致0度來射出向屏幕入射的圖像光。因此，如根據(jù)本實(shí)施方式的菲涅爾透鏡片，能夠在屏幕的整個(gè)面上將圖像的亮度形成為大致均勻。
接著，表示了將上述說明的菲涅爾透鏡片8應(yīng)用到屏幕對(duì)角50英寸(縱∶橫比＝9∶16)的圖像顯示裝置的情況下的各個(gè)光學(xué)部件的數(shù)值的一個(gè)例子。而且，下面的表1利用(x、y、z、角度、距離)表示投影透鏡2以后的光學(xué)部件配置。這里，投影透鏡的角度表示透鏡射出角度，另一方面，曲面反射鏡、反射鏡、屏幕的角度表示入射角度。
這里，將屏幕的中心位置設(shè)為坐標(biāo)的原點(diǎn)((x，y，z)＝(0，0，0))，而且，在該坐標(biāo)中，將屏幕的左右方向(水平方向)設(shè)為x軸，將右方向設(shè)為+(正)。另外，將屏幕的上下方向(垂直方向)設(shè)為y軸，將該上方設(shè)為+(正)。此外，將該縱深方向設(shè)為z軸，將向著圖像顯示裝置的后面的方向設(shè)為-(負(fù))。另外，角度是與xz截面的x軸所成的角度。而且，距離是從圖像發(fā)生源1所包含的圖像調(diào)制元件的中心點(diǎn)到屏幕的中心的光線的各個(gè)光學(xué)部件間的光路長度。而且，x，y，z和距離的單位是“mm”。
表1


下述的公式1是表示自由曲面的多項(xiàng)式，上述第一曲面反射鏡3和上述第二曲面反射鏡4的反射面形狀根據(jù)該公式1求出。下述表2示出了表示本實(shí)施方式的第一曲面反射鏡3的自由曲面形狀的多項(xiàng)式的各個(gè)系數(shù)的一個(gè)例子，下述表4示出了表示第二曲面反射鏡4的自由曲面形狀的多項(xiàng)式的各個(gè)系數(shù)的一個(gè)例子。
公式1W＝∑Cj·um·vn
表2

表3

這里，上述公式1的坐標(biāo)系是將橫方向設(shè)為u坐標(biāo)，將縱方向設(shè)為v坐標(biāo)，且將與面垂直且與z軸相同的方向設(shè)為w坐標(biāo)的坐標(biāo)系。另外，在上述公式1中，cj是使用下面的公式2所示的公式得到的um·vn的系數(shù)，j是2以上的整數(shù)。
公式2j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1這樣，本實(shí)施方式的第一曲面反射鏡3和第二曲面反射鏡4的各個(gè)反射面形成為自由曲面形狀。在本實(shí)施方式中，該自由曲面形狀形成為以y軸為中心左右對(duì)稱，而以x軸為中心是不對(duì)稱的。即，本實(shí)施方式的第一曲面反射鏡3和第二曲面反射鏡4的各個(gè)反射面形成為旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的自由曲面形狀。而且，至少該任何一個(gè)使得朝向相對(duì)該反射方向凸出地彎曲，使得反射向透過型屏幕3的下端入射的光線的部分的曲率，比反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分的曲率還大。另外，反射向上述任何一方屏幕的下端入射的光線的部分也可以形成為相對(duì)該反射方向凸出的形狀，反射向所述屏幕的上端入射的光線的部分也可以形成為沿著該反射方向凹進(jìn)的形狀。
另外，下述的公式3是表示非球面的多項(xiàng)式，菲涅爾透鏡片8的原始面的形狀根據(jù)該公式3求出。在下述表4中示出了表示本實(shí)施方式的菲涅爾透鏡片8的原始面的形狀的多項(xiàng)式的各系數(shù)的一個(gè)例子。
公式3z＝(c·r2)/[1+{1-(1+k)·c2·r2}1/2+d4·r4+d6·r6+d8·r8+d10·r10+d12·r12+d14·r14+…表4

這里，在上述的公式3中，z表示與z軸平行的面的垂度(sag)量，r表示距離旋轉(zhuǎn)軸的距離，c表示頂點(diǎn)曲率，k表示二次曲線常數(shù)，dn(n＝2、4、6、8、10、12…；2的倍數(shù))表示n次非球面系數(shù)。
然后，本實(shí)施方式的菲涅爾透鏡片8根據(jù)向著屏幕的圖像光的入射角的分布，菲涅爾透鏡的中心軸(參照?qǐng)D2的符號(hào)12)設(shè)定在從屏幕中心向下方僅離開545mm的位置。即，如根據(jù)本實(shí)施方式，上述菲涅爾透鏡片8不將該中心軸保持在片的面上，而寧可使該菲涅爾透鏡的中心軸位于離開上述菲涅爾透鏡片8的面的位置。換言之，在本實(shí)施方式中，形成棱鏡面的同心圓的中心點(diǎn)，處于顯示所述圖像顯示裝置的圖像的區(qū)域的外側(cè)。而且，構(gòu)成菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡沿著以位于該屏幕外側(cè)的中心軸為中心的同心圓狀的圓弧來形成。
這里，圖6表示根據(jù)上述表4的非球面系數(shù)得到的菲涅爾透鏡片8的原始面21和菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面22的關(guān)系。圖6表示了與菲涅爾透鏡片8的與該菲涅爾透鏡片8的垂線平行、且包含上述旋轉(zhuǎn)軸的截面。在圖6中，r表示與上述公式3的r對(duì)應(yīng)的、距離旋轉(zhuǎn)軸的距離。距離r1的菲涅爾透鏡的棱鏡面22的菲涅爾角θ1(菲涅爾透鏡片8的主平面和棱鏡面所成的角度)基本上等于該距離r1的原始面21的斜度(切線)。即，在將由上述公式3所表示的原始面的非球面公式設(shè)為Z(＝f(rn))，n設(shè)為1以上的整數(shù)時(shí)，菲涅爾透鏡片8的各個(gè)位置的菲涅爾角θn由公式4表示。
公式4θn＝f(rn)′因此，θ1＝f(r1)′、θ2＝f(r2)′、θ3＝f(r3)′…。這樣，菲涅爾透鏡片8的各個(gè)位置的菲涅爾角θn基本上與非球面公式的各個(gè)位置(各個(gè)距離rn)的微分值對(duì)應(yīng)。這樣，設(shè)定菲涅爾透鏡片8的各個(gè)位置的菲涅爾角θn。象上述那樣，向菲涅爾透鏡片8入射的光線通過菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面22折射。象上述那樣，如果將菲涅爾透鏡片8的原始面21形成為對(duì)應(yīng)于向著菲涅爾透鏡片8的各個(gè)位置的入射光線的入射角的非球面形狀，那么通過各個(gè)棱鏡面22折射的各個(gè)光線變?yōu)榕c菲涅爾透鏡片8的垂線基本平行。在本實(shí)施例中，位于菲涅爾透鏡片上部(即距旋轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的位置)的棱鏡面22的菲涅爾角θ，比位于菲涅爾透鏡片下部(即距旋轉(zhuǎn)軸最近的位置)的棱鏡面22的菲涅爾角θ要大。這是因?yàn)椋诒緦?shí)施方式的傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)中，與屏幕下部相比，屏幕上部的光線的入射角大。另外，在本實(shí)施方式中，由于象上述那樣，旋轉(zhuǎn)軸位于菲涅爾透鏡片8的外側(cè)，所以各個(gè)棱鏡面22向著相同方向傾斜。
在象以上這樣構(gòu)成的放大投影光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)際觀察的、相對(duì)距所述菲涅爾透鏡的中心軸的距離(橫軸)的、光線(透射光)的向著屏幕的入射角(縱軸)的分布狀態(tài)，利用附圖4的曲線表示。
另外，在附圖5中，利用曲線表示相對(duì)距上述菲涅爾透鏡中心軸的距離(橫軸)的、從屏幕射出的光線(透射光)的射出角度(光線和屏幕垂線的角度)的分布狀態(tài)。而且，在該圖中，為了比較，在使用具有將原始面設(shè)為球面狀的菲涅爾透鏡的菲涅爾透鏡片8的情況下，利用虛線來表示光線的射出角度。
即，從上述的圖示曲線可明白的那樣，在原始面是球面形狀的菲涅爾透鏡上，對(duì)應(yīng)距菲涅爾透鏡中心軸的距離(橫軸)，產(chǎn)生最大約5度的入射角的差。為此，利用原始面是球面形狀的菲涅爾透鏡片，屏幕上的亮度是不均勻的。與此相對(duì)，如按照本實(shí)施方式的菲涅爾透鏡片8，該原始面為非球面形狀，所以不管距菲涅爾透鏡中心軸的距離(橫軸)，能夠?qū)⒃摴饩€的射出角度抑制在大約0.8度以內(nèi)。換言之，能夠在屏幕的整個(gè)面上，使從屏幕射出的光線的射出角與屏幕的垂線大致平行，所以，能夠遍及屏幕整體使得顯示圖像的亮度均勻。
另外，在采用上述構(gòu)成的放大投影光學(xué)系統(tǒng)的屏幕對(duì)角50英寸(縱∶橫比＝9∶16)的圖像顯示裝置中，該裝置的厚度是大約300mm。即，可理解，如根據(jù)本實(shí)施方式，能夠使裝置進(jìn)一步薄型化。而且，上述實(shí)施例的投影透鏡具有1300mm的投影距離，具有能夠在對(duì)角50英寸(縱∶橫比為9∶16)的屏幕上放大投影圖像的功能。但是，本發(fā)明中，特別是，關(guān)于表示上述的構(gòu)成元件的尺寸和其特性的數(shù)值，不限于上述實(shí)施例所示的內(nèi)容，例如，如本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然知道，與傾斜投影角度或者投影距離等設(shè)計(jì)匹配，與上述曲面反射鏡同時(shí)，能夠通過合適的光學(xué)設(shè)計(jì)得到上述尺寸和特性。
另外，在上述實(shí)施例中，投影透鏡的光軸處于yz平面內(nèi)，而且，在該平面內(nèi)配置為通過兩個(gè)曲面反射鏡和一個(gè)平面反射鏡來反射圖像光的光軸。但是，這些數(shù)量和位置也不限于上述實(shí)施例。
例如，也可以配置為將投影透鏡的光軸方向作為x軸方向，利用反射鏡或者曲面反射鏡沿著z軸方向彎曲光軸，在yz平面通過曲面反射鏡和平面反射鏡來反射光。而且，如果是這樣的配置，能夠?qū)⑼队巴哥R和圖像源緊湊地收納在框體內(nèi)的屏幕下側(cè)。因此，可實(shí)現(xiàn)能夠控制圖像顯示裝置的高度的效果。
另外，本實(shí)施方式所使用的投影光學(xué)系統(tǒng)也可以至少具有一個(gè)用于修正梯形變形并修正像差的曲面，象本實(shí)施例那樣，不限于使用兩面的曲面反射鏡。例如，其曲面也可以是一面以上的反射型自由曲面。另外，也可以是具有不是反射型的、至少一面以上的折射型的自由曲面，即自由曲面的旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱透鏡。此外，也可以組合反射型自由曲面(自由曲面反射鏡)和折射型自由曲面(自由曲面透鏡)兩者，這是不言而喻的。這里，自由曲面透鏡也可以彎曲使得向著該光的射出方向凹進(jìn)，且入射到屏幕下端的光線通過的部分的曲率，形成為比入射到所述屏幕的上端的光線通過的部分的曲率還大的形狀。
而且，在上述詳細(xì)描述的實(shí)施例中，為了計(jì)算構(gòu)成上述菲涅爾透鏡片8的透鏡的非球面，求出該棱鏡面，說明了這種情況。但是，此時(shí)，例如具有根據(jù)傾斜投影距離或者投影距離等，其最佳化是困難的情況。下面，在這種情況下，說明能夠求出最佳棱鏡面的方法。
通常，圖像顯示裝置的水平方向的視野角比垂直方向的視野角寬。為此，水平方向通過雙凸透鏡的作用，可使水平方向的擴(kuò)散性好。與此相對(duì)，在垂直方向，主要通過雙凸透鏡的擴(kuò)散材料(參照?qǐng)D2的符號(hào)9、11)來加寬視野角。這里，在求菲涅爾透鏡的棱鏡面的形狀時(shí)，象下面這樣。即，不是按照象前述那樣使從屏幕射出的光線與屏幕的垂線平行而實(shí)現(xiàn)最佳化，相反地，將來自屏幕的射出光線分為水平和垂直成分，利用斯涅耳折射定律來計(jì)算用于將垂直成分的射出角度形成為大約0度的角度。通過這樣，可求出各個(gè)屏幕位置的棱鏡面。
利用連續(xù)這樣求出的該棱鏡面得到的原始面，也可以與上述同樣的，能夠利用基本0度的射出角度射出擴(kuò)散性能低的垂直成分。為此，利用現(xiàn)有的擴(kuò)散材料也能夠充分地?cái)U(kuò)散。另一方面，關(guān)于水平成分，其擴(kuò)散性能好，即使其射出角度大也能夠通過雙凸透鏡充分?jǐn)U散。結(jié)果，對(duì)于屏幕上得到的投影圖像的亮度，能夠得到均勻性。而且，這種情況下，構(gòu)成上述菲涅爾透鏡片8的菲涅爾透鏡的棱鏡面是曲面形狀即可，不一定限于非球面形狀。但是，象上述那樣，如果是具有原始面為非球面形狀的棱鏡面的菲涅爾透鏡片8，能夠在整個(gè)屏幕上得到亮度更均勻的透射圖像。棱鏡面的每個(gè)，在通過上述旋轉(zhuǎn)軸的菲涅爾透鏡片8的截面可以形成為平面，也可以是曲面。該曲面也可以是非球面。
上述實(shí)施例中，原始面為非球面形狀的菲涅爾透鏡的棱鏡面形成為以上述旋轉(zhuǎn)軸為中心的同心圓狀，該旋轉(zhuǎn)軸處于所述圖像顯示裝置的圖像顯示區(qū)域的外側(cè)。但是，該旋轉(zhuǎn)軸也可以處于圖像顯示裝置的圖像顯示區(qū)域的內(nèi)側(cè)，不限于上述實(shí)施例。但是，形成該棱鏡面的同心圓的中心點(diǎn)處于圖像顯示裝置的圖像顯示區(qū)域，這使得容易進(jìn)行為了以大致0度射出屏幕射出面的射出角而調(diào)整必要的折射的程度。該理由在下面說明，而且，在下面，將上述折射程度的調(diào)整稱為“折射調(diào)整”。
首先，考慮上述旋轉(zhuǎn)軸位于菲涅爾透鏡片的內(nèi)部的情況，包含該旋轉(zhuǎn)軸的水平線的棱鏡面，僅折射水平方向、即左右方向的光，不折射上下方向、即垂直方向的光。因此，包含上下方向的成分的光線入射在包含該旋轉(zhuǎn)軸的水平線的情況下，在該水平線上的棱鏡面，不能使得包含該上下方向成分的入射光為好的平行光(與屏幕主平面的垂線平行的光)。
在本實(shí)施方式中，象上述那樣，使用了從屏幕下方傾斜投影圖像的投影光學(xué)系統(tǒng)，此外，傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)具有用于修正屏幕上的梯形變形和像差的曲面。在使用這樣的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，向平面入射光線的全部具有上下方向的成分的情況多。因此，優(yōu)選，菲涅爾透鏡片8沒有不在上下方向折射光的棱鏡面，使得菲涅爾透鏡片8的各個(gè)位置進(jìn)行水平方向和垂直方向兩者的折射調(diào)整。
為此，在本實(shí)施方式中，構(gòu)成為使得上述菲涅爾透鏡的旋轉(zhuǎn)軸位于菲涅爾透鏡片8的外側(cè)。如果這樣，菲涅爾透鏡片8的棱鏡面能夠具有在上下方向全部折射光的作用。因此，在菲涅爾透鏡片8的各個(gè)位置容易進(jìn)行左右方向和上下方向兩者的折射調(diào)整。即，如果使旋轉(zhuǎn)軸位于菲涅爾透鏡片8的外側(cè)，能夠使得向屏幕入射的光線為好的平行光。
象以上說明的那樣，本實(shí)施方式適用于為了縮短縱深而使用傾斜投影光學(xué)系統(tǒng)、且具有用于修正由于傾斜投影而產(chǎn)生的梯形形狀的圖像變形的曲面反射鏡的構(gòu)成的圖像顯示裝置。而且，在這樣的圖像顯示裝置中，為了使得具有各種入射角的入射光從屏幕大致垂直地射出，在本實(shí)施方式中，在菲涅爾透鏡片上形成的菲涅爾透鏡的原始面為非球面形狀。結(jié)果，能夠遍及上述屏幕的大致整個(gè)面將從屏幕射出的光的射出角度形成為與屏幕垂線基本平行，所以能夠得到均勻亮度的圖像，而且，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像顯示裝置的薄型化。
權(quán)利要求
1.一種圖像顯示裝置，其特征在于，包括圖像發(fā)生源；圖像放大部，放大來自所述圖像發(fā)生源的圖像；屏幕，放大圖像從其背面投影；和投影光學(xué)部，將來自所述圖像放大部的所述圖像發(fā)生源的放大圖像相對(duì)所述屏幕傾斜投影，所述屏幕至少包含形成菲涅爾透鏡的菲涅爾透鏡片，在通過該菲涅爾透鏡的中心軸的截面上，所述菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面的菲涅爾角是，與所述菲涅爾透鏡片下部相比，所述菲涅爾透鏡片上部一方要大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅爾透鏡形成為以相同點(diǎn)為中心的同心圓狀，該中心點(diǎn)位于所述屏幕的外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面的相對(duì)所述菲涅爾透鏡片的垂線的傾斜方向相同。
4.一種圖像顯示裝置，其特征在于，包括圖像發(fā)生源；圖像放大部，放大來自所述圖像發(fā)生源的圖像；屏幕，放大圖像從其背面投影；和投影光學(xué)部，將來自所述圖像放大部的所述圖像發(fā)生源的放大圖像相對(duì)所述屏幕傾斜投影，所述屏幕至少包含形成菲涅爾透鏡的菲涅爾透鏡片，由該菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面的集合所形成的菲涅爾透鏡的原始面，形成為非球面形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像顯示裝置，其特征在于，通過含有所述棱鏡面的菲涅爾透鏡，入射到所述菲涅爾透鏡片的入射面的投影圖像，遍及所述屏幕的大致整個(gè)面，以射出角大致為0度從該菲涅爾透鏡片的射出面射出。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述投影光學(xué)部包含用于修正由于向所述屏幕的傾斜投影導(dǎo)致的變形和像差的曲面。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅爾透鏡的棱鏡面形成為以同一點(diǎn)為中心的同心圓狀，該中心點(diǎn)處于所述屏幕的圖像顯示區(qū)域的外側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述投影光學(xué)部包含至少一個(gè)折射型自由曲面和/或反射型自由曲面。
9.一種用于投影型圖像顯示裝置的屏幕，其特征在于，包括形成菲涅爾透鏡的菲涅爾透鏡片，相對(duì)該菲涅爾透鏡的垂線從傾斜方向向著該菲涅爾透鏡的入射面入射投影圖像，在通過該菲涅爾透鏡的中心軸的截面上，所述菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面的菲涅爾角是，與所述菲涅爾透鏡片下部相比，所述菲涅爾透鏡片上部一方要大。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅爾透鏡形成為以同一點(diǎn)為中心的同心圓狀，該中心點(diǎn)位于所述屏幕的外側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面的相對(duì)所述菲涅爾透鏡片的垂線的傾斜方向相同。
12.一種用于投影型圖像顯示裝置的屏幕，其特征在于，包括形成菲涅爾透鏡的菲涅爾透鏡片，相對(duì)該菲涅爾透鏡的垂線從傾斜方向向著該菲涅爾透鏡的入射面入射投影圖像，由該菲涅爾透鏡的各個(gè)棱鏡面的集合所形成的菲涅爾透鏡的原始面，形成為非球面形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅爾透鏡形成為以同一點(diǎn)為中心的同心圓狀，該中心點(diǎn)位于所述屏幕的外側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像顯示裝置，其特征在于，通過含有所述棱鏡面的菲涅爾透鏡，向所述菲涅爾透鏡片的入射面入射的投影圖像，遍及所述屏幕的大致整個(gè)面，以射出角大致為0度從該菲涅爾透鏡片的射出面射出。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的圖像顯示裝置，其特征在于，在所述菲涅爾透鏡片的光射出側(cè)，配置形成雙凸透鏡的雙凸透鏡片。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述雙凸透鏡片在其內(nèi)部混入擴(kuò)散材料，且在其射出面設(shè)置光吸收體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種圖像顯示裝置以及它所使用的菲涅爾透鏡片和屏幕，消除了向背面投影型屏幕傾斜投影放大圖像光而得到投影圖像的圖像顯示裝置中的投影圖像的亮度不均勻，本發(fā)明的圖像顯示裝置是，在進(jìn)深狹小的框體(7)內(nèi)，通過包含投影透鏡(2)、曲面反射鏡(4、5)、反射鏡(6)的投影光學(xué)系統(tǒng)從背面投影型屏幕(3)的背面透射來自圖像發(fā)生源(1)的圖像的圖像顯示裝置。本發(fā)明的背面投影型屏幕包括菲涅爾透鏡片(8)，而且，將構(gòu)成菲涅爾透鏡片的菲涅爾透鏡的棱鏡面形成為非球面形狀，至此，來自屏幕的光線基本遍及整個(gè)面并將射出角度形成為大致零度。通過這樣，能夠得到整體亮度均勻的投影圖像，而且，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像顯示裝置的薄型化。
文檔編號(hào)G02B27/18GK1770005SQ20051009289
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月1日
發(fā)明者大石哲, 吉川博樹, 久田隆紀(jì), 平田浩二, 谷津雅彥, 今福大輔 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所