專利名稱：圖像顯示裝置及其所使用的菲涅耳透鏡片的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及背面投影型或直視型的圖像顯示裝置及其所使用的菲涅耳透鏡片。
背景技術(shù)：
在將小型的影像放大投影于屏幕的背面投影型圖像顯示裝置(以下，有時稱為裝置)中，希望裝置的薄型化(縮短縱深尺寸)。如果縮短裝置的縱深尺寸，則在屏幕的特別是周邊部光的入射角加大。因此，在屏幕的周邊部光的利用效率降低(也就是反射損失加大)而影像變暗。作為用來應對它的現(xiàn)有技術(shù)，例如日本專利特開2004-170862號公報中所述者是公知的。在此公開了在作為屏幕的構(gòu)成要素的菲涅耳透鏡片的光入射面(圖像發(fā)生源側(cè))上，設置具有折射面和全反射面的棱鏡，在使入射角大的光由上述折射面折射后由全反射面全反射而向屏幕出射。
此外，在直視型的圖像顯示裝置中，例如日本專利特開2004-273396號公報中所述，公知有，為了實現(xiàn)裝置的薄型化，在作為圖像發(fā)生源(例如液晶面板)的背面的光入射側(cè)設置多個冷陰極熒光燈。

發(fā)明內(nèi)容
如上述現(xiàn)有技術(shù)所述，在入射面?zhèn)仍O置全反射型棱鏡的發(fā)明中，入射角小的光向菲涅耳透鏡片入射的情況下，不可能由全反射型棱鏡全反射該入射光的全部。該未被全反射的光，成為雜散光(在菲涅耳透鏡片內(nèi)部全反射，到達想要的場所以外的光)，降低圖像的對比度。此外，雜散光還成為屏幕上圖像的亮度不勻的原因，也不適合需要在整個屏幕上得到均一的亮度的情況。因而，在入射面?zhèn)仍O置全反射型棱鏡的情況下，有效地使去往屏幕的入射光向觀視側(cè)彎曲(被全反射)而擴大可能的光入射角的范圍是重要的。也就是說，減小能夠全反射的光的入射角的下限值而實現(xiàn)畫面的高質(zhì)量化是重要的。
在上述專利文獻1中所述，如其段落編號0034(表1)中所述，在去往屏幕的入射角為35度時，雜散光的發(fā)生率成為20％以上。也就是說，專利文獻1中所述發(fā)明因為在下限值附近雜散光的發(fā)生率比較大，故有必要進一步抑制雜散光的發(fā)生率。
另一方面，在例如用液晶面板的直視型的圖像顯示裝置中，為了薄型化而用冷陰極熒光燈，通過用反光鏡或擴散板使光擴散到?jīng)]有燈的部分而實現(xiàn)光的均一化。但是，在液晶面板上，規(guī)定的光入射角以外的光成為引起圖像的對比度劣化的原因。因此，如現(xiàn)有技術(shù)，由于在擴散光使光入射于液晶面板時，朝向液晶面板的光的入射角度成為多種的值，而且變大，所以有時圖像的對比度劣化。雖然為了提高對比度，只要以規(guī)定的入射角入射于液晶面板就可以了，但是用來從雜散光中選擇規(guī)定的光的要素重新成為必要，此外效率也降低。
此外，雖然在上述用液晶面板的直視型的圖像顯示裝置中，在液晶面板的背面上配置多個熒光燈，但是熒光燈隨著點亮時間發(fā)光亮度降低而變暗。因為該亮度的劣化每個燈不同，故在顯示影像上產(chǎn)生亮度的不勻。因此在發(fā)生顯著的亮度不勻或燈的點不亮的情況下，更換燈是必要的。但是，因為燈配置于液晶面板的背面故更換中需要煩雜的作業(yè)。
本發(fā)明提供一種既能使裝置薄型化，又能得到高質(zhì)量的圖像的技術(shù)。
本發(fā)明其特征在于，是在菲涅耳透鏡片的光入射面的、規(guī)定的光入射角以上的區(qū)域中設置第1棱鏡組，進而在菲涅耳透鏡片的光入射面的、不足上述規(guī)定的光入射角的區(qū)域上設置第2棱鏡組，該第1棱鏡組包括，第1折射面，折射以規(guī)定光入射角以上所入射的光，和第1全反射面，用來反射由該第1折射面所折射的光并引向菲涅耳透鏡片的出射側(cè)，上述第2棱鏡組包括，第2折射面，折射以不足規(guī)定光入射角所入射的光引向上述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)，和第2全反射面，反射由上述第2折射面折射的光的一部分并引向上述菲涅耳透鏡片出射側(cè)。
由上述第1棱鏡組中處于離開上述第2棱鏡組位置上的棱鏡組的第1全反射面所反射的光，向大致平行于菲涅耳透鏡片的法線的方向出射，由上述第1棱鏡組中處于上述第2棱鏡組附近的棱鏡組的第1全反射面所反射的光，向著朝向菲涅耳透鏡片的法線內(nèi)側(cè)的方向出射。菲涅耳透鏡片的光出射面的、上述第1棱鏡組中與處于遠離上述第2棱鏡組位置上的棱鏡組相向的區(qū)域是平面狀，與上述第1棱鏡組中處于上述第2棱鏡組附近的棱鏡組相向的區(qū)域也可以設置有第3棱鏡組，與上述第2棱鏡組相向的區(qū)域也可以設置有第4棱鏡組。此外該第4棱鏡組含有第3折射面，用來再次折射由上述第2棱鏡組的第2折射面所折射的光，和第4折射面，用來折射由上述第2全反射面所反射的光，使來自上述第2棱鏡組的光折射向大致平行于菲涅耳透鏡片的法線方向折射。
進而，將菲涅耳透鏡片的光入射面的、與設置有上述第2棱鏡組的區(qū)域相比光線以更小的入射角度入射的區(qū)域形成為平面狀，在菲涅耳透鏡片的出射面的、與上述平面狀區(qū)域相向的區(qū)域，設置有用來折射在該平面狀區(qū)域上入射的光的第5棱鏡組。
上述的構(gòu)成的菲涅耳透鏡片也可以用作在背面投影型圖像顯示裝置中所用的屏幕的一個要素，也可以配置于直視型圖像顯示裝置的圖像發(fā)生源的入射側(cè)進行使用。在將上述菲涅耳透鏡片安裝于裝置之際，可以對所述菲涅耳透鏡片的周邊施加張力，并固定在所述圖像顯示裝置的框體上，也可以使菲涅耳透鏡片凹陷朝向裝置光源(燈具)側(cè)進行翻轉(zhuǎn)，并固定在所述圖像顯示裝置的框體上。
因此，根據(jù)本發(fā)明，既能使裝置薄型化，又得到高圖像質(zhì)量或高亮度的圖像。


圖1是表示使用本發(fā)明的背面投影型圖像顯示裝置的一個構(gòu)成例的圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的透射型屏幕的一個構(gòu)成例的圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的第1實施例的菲涅耳透鏡片的總體構(gòu)成的垂直方向剖面圖；圖4是說明第1棱鏡組12a的光學作用的局部放大圖；
圖5是說明第1棱鏡組12a和第3棱鏡組15a的光學作用的局部放大圖；圖6是說明第2棱鏡組12b和第4棱鏡組15b的光學作用的局部放大圖；圖7是表示使用本發(fā)明的直視型圖像顯示裝置的一個構(gòu)成例的圖；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的第2實施例的菲涅耳透鏡片的總體構(gòu)成的垂直方向剖面圖；圖9是說明第5棱鏡組15c的光學作用的局部放大圖；圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的第2實施例的菲涅耳透鏡片的透射率的圖。
具體實施例方式
下面，就本發(fā)明的實施形態(tài)，參照附圖詳細地進行說明。
實施例1圖1是根據(jù)本發(fā)明的背面投影型的圖像顯示裝置的剖面圖。圖像發(fā)生源1由投影型陰極射線管、反射型或透射型的液晶面板、或者具有多個微反射鏡的顯示元件等圖像調(diào)制元件等來構(gòu)成，顯示小型的圖像。投影鏡頭2放大顯示于圖像發(fā)生源的的顯示畫面的小型的圖像，投影于背面投影型屏幕3。在從投影鏡頭2的出射面到屏幕3的入射面的光路的中途設置反射鏡4。因而，由投影鏡頭2所放大的圖像由反射鏡4所反射而投影到屏幕3的背面。借此，裝置的縱深被減小。這些要素被收容于殼體5，并被固定于規(guī)定位置。這里，為了使殼體的縱深尺寸成為例如300mm以下，向背面投影型屏幕的入射角范圍大約成為30～70度左右。也就是說，必須使最小入射角7大約30度左右時，最大入射角6大約70度以上。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的圖像顯示裝置中所用的背面投影型屏幕3的一個構(gòu)成例。該背面投影型屏幕3具有菲涅耳透鏡片8和作為擴散片的雙凸透鏡片9。菲涅耳透鏡片8在其光入射面上形成全反射型棱鏡12，在光出射面上形成折射型棱鏡15。根據(jù)上述構(gòu)成的背面投影型屏幕3，則從圖的箭頭a的方向所投影的放大投影影像通過上述菲涅耳透鏡片8的作用，即，在菲涅耳透鏡片上所形成的折射型棱鏡15的作用，變換成大致平行光(即，相對菲涅耳透鏡片的主平面的法線的角度的出射角大致0度的光)，或者，略朝向內(nèi)側(cè)的光。該光入射至雙凸透鏡片9，在畫面水平方向、垂直方向上擴散。
再者，在雙凸透鏡片9的光入射面上，如圖2中所示，在屏幕畫面水平方向上排列多個以屏幕畫面的垂直方向為縱長方向的雙凸透鏡20。借此，起到將來自雙凸透鏡片8的影像光在屏幕畫面水平方向上擴散的作用。此外，在上述雙凸透鏡片9的出射面上，在畫面水平方向上排列多個在畫面垂直方向上延伸的塑料條10。借此，吸收從屏幕出射側(cè)入射的外光。進而，該雙凸透鏡片9由混入了光擴散料11的透明的樹脂料來構(gòu)成。該所混入的光擴散料11起到將上述影像光在屏幕畫面水平和垂直方向上擴散的作用。再者，也可以在雙凸透鏡片9的前面上配置透明的強化片(未畫出)。進而，通過將粘接該強化片與雙凸透鏡片9一體化，還可以提高雙凸透鏡片9的機械強度。此外，在雙凸透鏡片9中也可以不含有光擴散劑11，而使配置于上述雙凸透鏡片9的前方的強化片中含有。在本實施例中，圖2中所示的雙凸透鏡片8的反射型棱鏡12存在著兩種。一是設置在菲涅耳透鏡片8的光入射面的、規(guī)定的光入射角以上(例如40度或50度以上)的區(qū)域的第1棱鏡組。二是設置在不足上述規(guī)定的光入射角的區(qū)域的第2棱鏡組。上述第1棱鏡組包括折射以規(guī)定的光入射角以上入射的光的第1折射面，和用來反射由該第1折射面所折射的光并引向菲涅耳透鏡片出射側(cè)的第1全反射面。此外，上述第2棱鏡組包括折射以不足上述規(guī)定入射角入射的光并引向菲涅耳透鏡片8的出射側(cè)的第2折射面，和反射由該第2折射面所折射的光的一部分并引向菲涅耳透鏡片8的出射側(cè)的第2全反射面。此外在菲涅耳透鏡片8的出射面上作為折射型棱鏡，設有第3棱鏡組與第4棱鏡組。該第3棱鏡組設置在與位于上述入射面上的第2棱鏡組附近的第1棱鏡組相向的區(qū)域。上述第3棱鏡組包括第5折射面，用來再次折射由上述第1棱鏡組的第1折射面所折射并由第1全反射面所反射的光。與第2棱鏡組相向的第4棱鏡組包括，第3折射面，用來再次折射由上述第2棱鏡組的第2折射面所折射的光，和第4折射面，用來折射由上述第2棱鏡組的第2全反射面所反射的光。再者，在菲涅耳透鏡片8的出射面的與上述第1棱鏡組相向的位置，上述第2棱鏡組附近以外的區(qū)域上，設有未形成棱鏡的平面狀的第1平面區(qū)域17。
上述菲涅耳透鏡片8的總體構(gòu)成如圖3。圖3示出根據(jù)本實施例的菲涅耳透鏡片8的垂直方向的剖面圖。如圖3所示，在本實施例中，沿著垂直方向根據(jù)光的入射角將菲涅耳透鏡片8劃分成兩個區(qū)域。區(qū)域A是光以例如入射角45度～70度(最大入射角)入射的區(qū)域。區(qū)域B是光以例如入射角30度(最小入射角)～44度入射的區(qū)域。
在菲涅耳透鏡片8的光入射面IN的區(qū)域A上，設有具有上述第1折射面SK1與第1全反射面SH1的第1棱鏡組12a，在區(qū)域B上設有具有上述第2折射面SK2和第2全反射面SH2的第2棱鏡組12b。另一方面，在菲涅耳透鏡片8的光出射面OUT的區(qū)域A上，設有上述第1平面區(qū)域17和第3棱鏡組15a。第3棱鏡組15a具有第5折射面SK5，而且設置在處于距區(qū)域A與區(qū)域B的邊界規(guī)定范圍內(nèi)的與第1棱鏡組12a相向的位置。第1平面區(qū)域17與上述規(guī)定區(qū)域以外的第1棱鏡組12a相向。此外，在光出射面OUT的區(qū)域B上，設有具有第3折射面SK3和第4折射面SK4的第4棱鏡組15b。如此，第3棱鏡組15a設置在與第1棱鏡組12a相向的區(qū)域上，第4棱鏡組15b設置在與第2棱鏡組12b相向的區(qū)域上。
在本實施例中，上述第1～第4棱鏡組形成為以屏幕的水平方向為長度方向的直線狀，但是也可以形成為以某點為中心的同心圓狀。此外，也可以將入射側(cè)的第1和第2棱鏡組形成為上述直線狀，將出射側(cè)的第3和第4棱鏡組形成為同心圓狀。
下面，對各棱鏡組的作用，即光學作用參照圖4、圖5和圖6進行說明。圖4放大示出設置在圖3的區(qū)域A的第1棱鏡組12a和第1平面區(qū)域17的一部分的剖面。即，圖4示出區(qū)域A中尤其是入射角最大的部分，這里，在出射面?zhèn)任丛O有第3棱鏡組15a。在區(qū)域A中，光以大的入射角入射的部分，如圖4所示，在菲涅耳透鏡片8的光入射側(cè)設有第1棱鏡部12a，在光出射面?zhèn)仍O有第1平面區(qū)域17。來自圖像發(fā)生源的光線32入射于第1棱鏡組的第1折射面SK1，并由第1折射面SK1折射。然后，由第1全反射面SH1反射，從菲涅耳透鏡片8出射側(cè)的第1平面區(qū)域17出射到觀察側(cè)。此時的光線的出射方向與菲涅耳透鏡片8的主平面的法線是平行的。
下面，對區(qū)域A當中的、區(qū)域B附近的部分的光學作用進行說明。圖5放大示出位于區(qū)域B附近的第1棱鏡組12a，和與其相向的第3棱鏡組15a的一部分。如圖5所示，在菲涅耳透鏡片8的光入射側(cè)設有第1棱鏡組12a，在光出射側(cè)設有第3棱鏡組15a。來自圖像發(fā)生源的光線34入射于第1棱鏡組的第1折射面SK1，由該第1折射面SK1折射。該被折射的光由第1全反射面SH1全反射，入射于第3棱鏡組的第5折射面SK5。入射于該第5折射面SK5的光由第5折射面SK5折射成與菲涅耳透鏡片8的主平面的法線大致平行。即，第3棱鏡組15a的第5折射面SK5用來將由第1棱鏡組12a的第1全反射面SH1使其朝向內(nèi)側(cè)的光折射成上述法線方向。
與區(qū)域A相比光以較小的入射角度入射的區(qū)域B，如圖6所示，在菲涅耳透鏡片8的光入射側(cè)設有第2棱鏡組12b。此外在菲涅耳透鏡片8的光出射側(cè)設有第4棱鏡組15b。來自圖像發(fā)生源側(cè)的光線34入射于第2棱鏡組的第2折射面SK2，由該第2折射面SK2折射。該被折射的光由第2全反射面SH2全反射，入射于第4棱鏡組15b的第4折射面SK4。該入射于第4折射面SK4的光由第4折射面SK4折射成與菲涅耳透鏡片8的主平面的法線大致平行。即，第4棱鏡組15b的第4折射面SK4用來將由第2棱鏡組12b的第2全反射面SH2使其偏向內(nèi)側(cè)的光折射成上述法線方向。另一方面，光線33入射于第2棱鏡組的第2折射面SK2，在由該第2折射面SK2折射后入射于第4棱鏡組15b的第2折射面SK3。該光由第3折射面SK3折射成與菲涅耳透鏡片8的主平面的法線大致平行。即，第3棱鏡組15b的第3折射面SK3用來將未被第2棱鏡組12b的第2全反射面SH2全反射的光折射成上述法線方向。
如上所述，第2棱鏡組12b的第2全反射面SH2對入射于第2折射面SK2并被折射的光的一部分。即，入射于第2棱鏡組12b的第2折射面SK2的光主要是經(jīng)由第2全反射面SH2以及通過第4折射面SK4的光路與通過第3折射面SK3的光路的、兩個光路從菲涅耳透鏡片8出射。
這里，由第2棱鏡組12b的第2折射面SK2折射的光線與菲涅耳透鏡片8的主平面的所成的角度設定為小于第4棱鏡組15b的第4折射面SK4的傾斜角度。此外，由第2棱鏡組12b的第2全反射面SH2所反射的光線與菲涅耳透鏡片8的主平面的所成的角度設定為小于第4棱鏡組15b的第3折射面SK3的傾斜角度。按照如上所述設定時，則由第2折射面SK2折射的光線，不入射于第4折射面SK4，僅入射于本該入射的第3折射面SK3。此外，由第2全反射面SH2反射的光線不入射于第3折射面SK3，僅入射于本該入射的第4折射面SK4。因此，可使入射于菲涅耳透鏡片8的光的幾乎全部都從菲涅耳透鏡片8出射。由此，根據(jù)本實施例的菲涅耳透鏡片，即使光線以寬范圍的入射角入射，也可以顯著地降低不用光的發(fā)生。
下面，將上述說明的菲涅耳透鏡片8運用于圖像顯示裝置的情況下的光學零件(各棱鏡)規(guī)格的一個例以表1進行表示。該規(guī)格示出設置在光入射側(cè)的第1、第2棱鏡組12的折射面SK1、SK2的傾斜角度及其棱鏡頂角，設置在出射側(cè)的第3、第4棱鏡組15的折射面SK4、SK5的傾斜角度及其棱鏡頂角的具體的數(shù)值的實例。而且，在此實例中，將構(gòu)成菲涅耳透鏡片的材料的折射率取為1.53。在表1中，入射角度31度至44度是區(qū)域B，入射角度45度至70度是區(qū)域A。此外，在區(qū)域A中的45度至64度的范圍是在其光出射面上設有第3棱鏡組15a的范圍。該棱鏡組折射面的傾斜角度隨著入射角度加大而減小，在入射角度65度處連接于第1平面區(qū)域17。即，區(qū)域A的65度～70度的范圍，其光出射面?zhèn)刃纬傻?平面區(qū)域17。
表1

在專利文獻1中所述入射角35度處雜散光的發(fā)生率為20％以上，對此，根據(jù)本實施例，即使在對屏幕的入射角31度處可使雜散光的發(fā)生率抑制為大致0％。由此，因為入射光的全部都成為有效光故影像光的屏幕入射角的幅度變寬，同時通過效率也變得良好。因而，如果采用本實施例，則可知能夠減少屏幕上的不需要光。
而且，如果將根據(jù)本實施例的菲涅耳透鏡片8運用于背面投影型圖像顯示裝置，則即使減小裝置的縱深尺寸也可以在屏幕的周邊部顯示明亮的影像。由此，如果運用本實施例，則在屏幕對角50英寸(縱∶橫比＝9∶16)的圖像顯示裝置中，可以將該裝置的厚度取為例如300mm。由此可知，能夠使裝置的進一步薄型化。但是，本實施例，特別是，對上述的構(gòu)成要素的尺寸或其特性的數(shù)值不限于上述實施例中所示。本領域技術(shù)人員可知，例如，按照傾斜投影角度或投影距離等規(guī)格，與反射鏡(不限于平面)的有無同時，可對這些值做適當?shù)淖兏！?br> 此外，為了進一步薄型化，作為上述反射鏡4，也可以用具有自由曲面的曲面反射鏡。在這種情況下，也可以使構(gòu)成菲涅耳透鏡片的菲涅耳透鏡的棱鏡面(折射面)形成消除曲面反射鏡引起的從球面系統(tǒng)的錯位量的非球面(通常是球面)形狀。此時的非球面系數(shù)(用多項式表示非球面的程度時的系數(shù))可以設定成將由上述曲面反射鏡反射并入射的影像投影在上述背面投影型屏幕的大致整個面上，從菲涅耳透鏡片8的出射面以大致0度的出射角出射。
如上所述，按照本實施例，則可以使影像光的屏幕入射角度的幅度寬且通過效率良好從而降低雜散光的發(fā)生。因而，可以顯示明亮的圖像，對比度良好，而且可以實現(xiàn)更加薄型且緊湊的背面投影型的圖像顯示裝置。
實施例2下面，對本發(fā)明的第2實施例，參照圖7～圖9進行說明。圖6示出本發(fā)明所運用的直視型的圖像顯示裝置的一個構(gòu)成例，圖7(a)是從上方觀看該裝置的剖面圖，圖7(b)是從側(cè)面觀看該裝置的剖面圖。
光源27包括大致點光源的高壓水銀燈，和反射從該燈出射的光并出射的反光鏡。從光源27出射的光其亮度由棒狀透鏡26均一化。雖然使亮度均一化的方法此外可利用多透鏡陣列，但是在本實施例中可使用任意要素。出射棒狀透鏡26的光被作為投影部的一個構(gòu)成要素的反射鏡25反射，經(jīng)由菲涅耳透鏡片22放大投影于圖像發(fā)生源21。這里圖像發(fā)生源21由例如透射型的液晶面板構(gòu)成，針對像素調(diào)制透過菲涅耳透鏡片22的光并在顯示面上形成圖像。在本實施例中，使光經(jīng)由菲涅耳透鏡片22入射于液晶面板，該菲涅耳透鏡片22構(gòu)成為使入射光成為平行光(與菲涅耳透鏡片22的主平面的法線平行的光)并出射至液晶面板。因此，液晶面板的入射光因上述菲涅耳透鏡片22的光學作用對液晶面板顯示面的法線成為大致平行。
這里，作為用于將來自棒狀透鏡26的光放大成圖像發(fā)生源21的大小的要素，可以使用例如已知的放大透鏡或曲面形狀的反射鏡等。這類要素也可以設置在從光源27到反射鏡25的路徑上。此外，反射鏡25也可以取為曲面形狀。反射鏡25、棒狀透鏡26、光源27、圖像發(fā)生源21和菲涅耳透鏡片22安裝或收容于殼體5。
在上述構(gòu)成的圖像顯示裝置中，所放大的光線入射于菲涅耳透鏡片22的周緣的角度越大越可以薄型化。例如，在顯示面對角50英寸(縱∶橫比＝9∶16)的圖像顯示裝置上，如果將入射于菲涅耳透鏡片22的周緣的最大入射角度取為80度，則可以將裝置的縱深薄型化為大致150mm。由此，為了將裝置的縱深尺寸形成150mm以下，向菲涅耳透鏡片22的入射角范圍成為大約0～80度。根據(jù)本實施例的菲涅耳透鏡片22使具有上述角度范圍的入射光形成平行光并出射到液晶面板。
適于這種薄型化的裝置的菲涅耳透鏡片22的總體構(gòu)成如圖8。圖8示出根據(jù)本實施例的菲涅耳透鏡片22的垂直方向的剖面圖。雖然在圖3中，沿著垂直方向根據(jù)光的入射角將菲涅耳透鏡片8劃分成兩個區(qū)域，但是在本實施例中，沿著垂直方向根據(jù)光的入射角將菲涅耳透鏡片22劃分成三個區(qū)域。區(qū)域A是光以入射角45度～80度(最大入射角)入射的區(qū)域。區(qū)域B是光以入射角31度～44度入射的區(qū)域。區(qū)域C是光以入射角0度(最小入射角)～30度入射的區(qū)域。
在菲涅耳透鏡片22的光入射面IN的區(qū)域A上設有具有第1折射面SK1和第1全反射面SH1的第1棱鏡組12a，在區(qū)域B上設有具有第2折射面SK2和第2全反射面SH2的第2棱鏡組12b。此外，光入射面IN的區(qū)域C設有未形成棱鏡的平面狀的第2平面區(qū)域16。另一方面，在菲涅耳透鏡片22的光出射面OUT的區(qū)域A的一部分上設有未形成棱鏡的平面狀的第1平面區(qū)域17，進而在光出射面OUT的區(qū)域A的區(qū)域B附近上設有具有第5折射面SK5的第3棱鏡組15a。在光出射面OUT的區(qū)域B上設有具有第3折射面SK3和第4折射面SK4的第4棱鏡組15b，在區(qū)域C上，設有具有第6折射面SK6的第5棱鏡組15c。
雖然在本實施例中，上述第1～第5棱鏡形成為以屏幕的水平方向為長度方向的直線狀，但是也可以形成為以某點為中心的同心圓狀。此外，也可以將上述入射側(cè)的第1和第2棱鏡形成為以屏幕的水平方向為長度方向的直線狀，將出射側(cè)的第3至第5棱鏡形成為同心圓狀。
下面，對各棱鏡的作用，即光學作用參照圖9進行說明。再者，對設置在區(qū)域A上的第1棱鏡組12a、第3棱鏡組15a，設置在區(qū)域B上的第2棱鏡組12b和第4棱鏡組15b的光學作用而言，與上述圖4至圖6者是大致相同。因而，在以下的說明中，省略關于第1棱鏡組12a、第2棱鏡組12b、第3棱鏡組15a、第4棱鏡組15b的光學作用，和角度的設定的說明，僅對設置在區(qū)域C上的第5棱鏡組15c的光學作用進行說明。
如圖9中所示，在菲涅耳透鏡片22的光入射側(cè)IN的區(qū)域C上，設有第2平面區(qū)域16。在光出射側(cè)OUT的區(qū)域C上，與第2平面區(qū)域16相向，設有第5棱鏡組15c。來自光源27的光線35(入射角例如0～30度的光線)入射于第2平面區(qū)域16，由該第2平面區(qū)域16的入射面折射。由第2平面區(qū)域16折射的光入射于第5棱鏡組15c的第6折射面SK6。該光由第5棱鏡組15c的第6折射面SK6折射成與菲涅耳透鏡片22的主平面的法線大致平行出射。由該第6折射面SK6折射的光入射于由例如液晶面板等所構(gòu)成的圖像發(fā)生源21。
下面，將上述中說明的菲涅耳透鏡片22運用于圖像顯示裝置的情況下的光學零件(各棱鏡)規(guī)格的實例如表2。該規(guī)格示出設置在光入射側(cè)的第1、第2棱鏡組12的折射面SK1、SK2的傾斜角度及其棱鏡頂角，設置在出射側(cè)的第3、第4、第5棱鏡組15的折射面SK4、SK5、SK6的傾斜角度及其棱鏡頂角的具體的數(shù)值的實例。再者，在此例子中，將構(gòu)成菲涅耳透鏡片的材料的折射率取為1.53。
表2

在表2中，入射角度0度至30度是區(qū)域C，入射角度31度至44度是區(qū)域B，入射角45度至80度是區(qū)域A。此外，區(qū)域A中的45度至64度的范圍是在其光出射面上設有第3棱鏡組15a的范圍。其棱鏡折射面的傾斜角度隨著光的入射角度加大而減小，在入射角度65度處連接于第1平面區(qū)域17。即，入射角度65度～80度的范圍其光出射面形成第1平面區(qū)域17。在此所說明的各種角度不限于上述表2的數(shù)值，此外也可以不以該角度作為不同的棱鏡間的邊界。例如，也可以在以該角度為中心的規(guī)定范圍內(nèi)混合設置各棱鏡。按照上述構(gòu)成，則可以減輕棱鏡區(qū)域變化引起的亮度的不勻等弊端。這在前面說明的第1實施例中也是同樣的。
根據(jù)本實施例，則可以與對屏幕的入射角無關地使雜散光的發(fā)生率大致為0％。借此，因為入射光的全部都成為有效光線故影像光的屏幕入射角度的幅度加寬，同時通過效率也變得良好。圖10是根據(jù)表2的實施例求出的透射率。雖然在入射角度大約30度至50度的范圍內(nèi)透射率有最大20％左右的劣化，但是作為對應于0度至80度的菲涅耳透鏡片總體上表現(xiàn)出極好的透射率。
如果將根據(jù)本實施例的菲涅耳透鏡片22運用于直視型的圖像顯示裝置，則即使減小裝置的縱深尺寸在屏幕周邊部也可以顯示明亮的影像。由此，如果運用本實施例，則在屏幕對角50英寸(縱∶橫比＝9∶16)的圖像顯示裝置中，可以使該裝置的厚度形成例如大約150 mm。由此可知，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的進一步薄型化。但是，本實施例，特別是，對上述構(gòu)成要素的尺寸或其特性不限定于上述數(shù)值。本領域技術(shù)人員可知，例如，按照傾斜投影角度或投影距離等規(guī)格，與反射鏡(不限于平面)的有無同時，可對這些值做適當變更。此外本實施例也與第1實施例同樣，作為反射鏡25可以用具有自由曲面的曲面反射鏡，也可以根據(jù)上述曲面反射鏡的形狀將菲涅耳透鏡的棱鏡面(折射面)設定成非球面。
如上所述，按照本實施例，則可以使影像光的屏幕入射角度的幅度寬且通過效率良好從而降低雜散光的發(fā)生。因而，可以顯示明亮的圖像，對比度良好，而且可以實現(xiàn)更加薄型且緊湊的直視型的圖像顯示裝置。
再者，雖然在此第2實施例中，對將菲涅耳透鏡片22運用于直視型的圖像顯示裝置進行了說明，但是也可與第1實施例同樣運用于背面投影型的圖像顯示裝置。
在以上說明的菲涅耳透鏡片中，如果入射光線的入射角度加大則存在下述問題。例如如果菲涅耳透鏡片的入射面的棱鏡高度高于規(guī)定，則光被該棱鏡遮擋或遮斷，特別是使光難以到達屏幕端部附近。因而，在這種情況下屏幕端部附近的影像變暗。例如，在入射角80度時，如果棱鏡高度成為1mm高，則入射角80度的光線入射于大約5.6mm之前的棱鏡。在該情況下，在離開該棱鏡的位置在端部方向上5.6mm的范圍內(nèi)發(fā)生暗部。此時，可在菲涅耳透鏡片上施加張力形成平面狀并固定于框體。此外，也可以向光源側(cè)翻轉(zhuǎn)而形成凹面，并固定于框體。
權(quán)利要求
1.一種菲涅耳透鏡片，用于圖像顯示裝置中，其特征在于，具有設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、規(guī)定的光入射角以上的區(qū)域上的第1棱鏡組；和設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、不足所述規(guī)定的光入射角的區(qū)域上的第2棱鏡組；其中所述第1棱鏡組包括第1折射面，折射以所述規(guī)定的光入射角以上入射的光；和第1全反射面，用于反射由該第1折射面折射的光，并引向所述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)；所述第2棱鏡組包括第2折射面，折射以不足所述規(guī)定的光入射角入射的光，并引向所述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)；和第2全反射面，反射由所述第2折射面折射的光的一部分，并引向所述菲涅耳透鏡片出射側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡片，其特征在于由所述第1棱鏡組中處于離開所述第2棱鏡組位置上的棱鏡組的第1全反射面所反射的光，向大致平行于所述菲涅耳透鏡片的法線的方向出射；由所述第1棱鏡組中處于所述第2棱鏡組附近的棱鏡組的第1全反射面所反射的光，和由所述第2棱鏡組的第2全反射面反射的光，向著朝向所述菲涅耳透鏡片的法線內(nèi)側(cè)的方向出射。
3.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡片，其特征在于所述菲涅耳透鏡片的光出射面的、與所述第1棱鏡組中處于離開所述第2棱鏡組位置上的棱鏡組相向的區(qū)域是平面狀；與所述第1棱鏡組中處于所述第2棱鏡組附近的棱鏡組相向的區(qū)域，設置有第3棱鏡組；且與所述第2棱鏡組相向的區(qū)域設置有第4棱鏡組，所述第4棱鏡組含有第3折射面，用于再次折射由所述第2棱鏡組的第2折射面所折射的光，和第4折射面，用于折射由所述第2棱鏡組的第2全反射面所反射的光。
4.如權(quán)利要求3所述的菲涅耳透鏡片，其特征在于所述第4棱鏡組，使由所述第2棱鏡組的所述第2全反射面所反射的光，和由所述第2折射面折射的光，向大致平行于所述菲涅耳透鏡片的法線的方向折射。
5.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡片，其特征在于使所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、與設置有所述第2棱鏡組的區(qū)域相比光線以更小的入射角度入射的區(qū)域形成為平面狀；所述菲涅耳透鏡片的出射面的、與所述平面狀區(qū)域相向的區(qū)域，設有用于折射在所述平面狀區(qū)域上入射的光的第5棱鏡組。
6.如權(quán)利要求5所述菲涅耳透鏡片，其特征在于所述第1、第2、第3、第4和第5棱鏡組為同心圓狀。
7.如權(quán)利要求6所述的菲涅耳透鏡片，其特征在于所述多個棱鏡的至少一個的折射面由非球面形成。
8.一種圖像顯示裝置，其特征在于，具有屏幕；圖像發(fā)生源；和投影部，包括用于放大來自所述圖像發(fā)生源的影像，并投影至所述屏幕的反射鏡；所述屏幕具有菲涅耳透鏡片和使來自該菲涅耳透鏡片的光擴散的擴散片；所述菲涅耳透鏡片具有設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、規(guī)定的光入射角以上的區(qū)域上的第1棱鏡組；和設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、不足所述規(guī)定的光入射角的區(qū)域上的第2棱鏡組；其中，所述第1棱鏡組包括第1折射面，折射以所述規(guī)定的光入射角以上入射的光；和第1全反射面，反射由該第1折射面折射的光，并引向所述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)；所述第2棱鏡組包括第2折射面，折射以不足所述規(guī)定的光入射角入射的光，并引向所述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)；和第2全反射面，反射由所述第2折射面折射的光的一部分，并引向所述菲涅耳透鏡片出射側(cè)。
9.一種圖像顯示裝置，其特征在于，具有調(diào)制入射光并顯示圖像的圖像發(fā)生源；放出光的燈具；投影部，包括反射鏡，該反射鏡用于使來自所述燈具的光投影至所述圖像發(fā)生源的顯示區(qū)域；和菲涅耳透鏡片，使來自該投影部的光朝向大致垂直于所述圖像發(fā)生源的顯示面的方向，并向所述圖像發(fā)生源出射。
10.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于，所述菲涅耳透鏡片，具有設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、規(guī)定的光入射角以上的區(qū)域上的第1棱鏡組；和設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、不足所述規(guī)定的光入射角的區(qū)域上的第2棱鏡組；所述第1棱鏡組包括第1折射面，折射以所述規(guī)定的光入射角以上入射的光；和第1全反射面，反射由該第1折射面折射的光，并引向所述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)，所述第2棱鏡組包括第2折射面，折射以不足所述規(guī)定的光入射角入射的光，并引向所述菲涅耳透鏡片的出射側(cè)；和第2全反射面，反射由所述第2折射面折射的光的一部分，并引向所述菲涅耳透鏡片出射側(cè)。
11.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于所述反射鏡包括使反射面形成為曲面的曲面鏡，且所述棱鏡的折射面為非球面狀，所述棱鏡的折射面的非球面系數(shù)設定為，使由所述曲面鏡反射并入射到所述菲涅耳透鏡片的影像光，在所述菲涅耳透鏡片的大致整個面上，以大致0度的出射角從該菲涅耳透鏡片的出射面出射。
12.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于，還包括用于對所述菲涅耳透鏡片的周邊施加張力，并固定在所述圖像顯示裝置的框體上的部件。
13.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于使所述菲涅耳透鏡片凹陷朝向所述燈具側(cè)進行翻轉(zhuǎn)，并固定在所述圖像顯示裝置的框體上。
14.如權(quán)利要求9所述的圖像顯示裝置，其特征在于所述圖像發(fā)生源是液晶面板；利用所述菲涅耳透鏡片使入射到所述液晶面板的顯示面上的光線與該液晶面板顯示面的法線大致平行。
15.如權(quán)利要求14所述的圖像顯示裝置，其特征在于所述液晶面板是透射型的液晶面板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在將影像光傾斜地投影于背面投影型屏幕并放大投影影像的圖像顯示裝置中的消除投影影像的亮度的不勻的技術(shù)。本發(fā)明的菲涅耳透鏡片(8)具有設置在其光入射面的、規(guī)定的光入射角以上的區(qū)域上的第1棱鏡組(12a)，和設置在光入射面的不足規(guī)定的光入射角的區(qū)域上的第2棱鏡組(12b)。第1棱鏡組(12a)含有折射以規(guī)定的光入射角以上入射的光的第1折射面(SK1)，和用來反射由該第1折射面折射的光并引向菲涅耳透鏡片的出射側(cè)的第1全反射面(SH1)，第2棱鏡組含有折射以不足規(guī)定的光入射角入射的光并引向菲涅耳透鏡片的出射側(cè)的第2折射面(SK2)，和反射由第2折射面折射的光的一部分并引向菲涅耳透鏡片出射側(cè)的第2全反射面(SH2)。
文檔編號G02F1/13GK1987527SQ20061010777
公開日2007年6月27日 申請日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者吉川博樹, 久田隆紀, 大石哲, 平田浩二, 今福大輔 申請人:株式會社日立制作所