專利名稱：圖像顯示裝置,及其所使用的菲涅耳透鏡片和屏幕的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用將圖像發(fā)生源的圖像從傾斜方向投影到背面投影型屏幕的傾斜投影光學系統的投影型的圖像顯示裝置，以及在該圖像顯示裝置中所使用的菲涅耳透鏡片和背面投影型屏幕。
背景技術：
為了與投影型圖像顯示裝置的薄型化相對應，已知的有使用反射鏡，對放大圖像從傾斜方向進行投影的結構，即所謂使用傾斜投影光學系統的結構。此時，由于放大圖像是對于屏幕傾斜投影(即屏幕主片面的垂線與放大圖像中央的光的入射方向呈一定的角度。以下，在有些情況下，將這樣的投影形式稱為“傾斜投影”)，所以屏幕上投影的圖像會產生失真。因此，例如在JP-A-2002-341452公報中，提出了為了修正該失真，在上述反射鏡的一部分上，采用由彎曲面構成的曲面反射鏡的圖像顯示裝置的結構。

發(fā)明內容
一般地，在上述圖像顯示裝置中，如果其畫面尺寸相同，則其進深越薄，對重量、成本、設置空間等越有利。就是說，在上述歷來的技術中，為了減小圖像顯示裝置的進深，從傾斜方向對屏幕投影放大圖像。其結果是，為了修正來自該傾斜的圖像投影所產生的梯形的圖像失真，采用了使用在光路中設置了上述曲面反射鏡的投影光學系統的結構。
然而，希望是能夠不受觀察位置的影響，在全體屏幕上都可以得到均勻、明亮的圖像。為此，必須使來自投影透鏡的放大圖像光，在從該透鏡出射時，對于上述觀察一側大致平行。為了實現這一點，一般是使用設置了具有原表面為球面的棱鏡面的同心圓狀菲涅耳透鏡的菲涅耳透鏡片作為上述屏幕的構成要素。這里，所謂原表面(OriginalSurface)，是指由相互連接菲涅耳透鏡片全體中的各棱鏡面的曲線，即由菲涅耳透鏡片全體中的全部棱鏡面的集合的包絡線所形成的假定的面。通過使該原表面為球面，能夠使得從投影透鏡的出射孔放射狀地投影到屏幕各點的圖像光，由各棱鏡而向著與屏幕垂線平行的方向折射，可使得在屏幕整個表面上，出射光形成平行(即與屏幕垂線平行的方向)。
但是，在上述以往的技術中會產生以下的問題。就是說，從投影透鏡的出射孔射向屏幕的圖像光被傾斜投影光學系統中所包含的曲面反射鏡反射時，射向屏幕的入射光的角度隨該曲面反射鏡的反射位置而變化。就是說，在使用上述傾斜投影光學系統的情況下，從投影透鏡的出射孔射向屏幕的圖像光，不能夠均勻地放射。
因此，在上述原表面為球面的菲涅耳透鏡片中，對于屏幕的整個表面，難以使來自投影透鏡的放大圖像光大致平行地出射。所以，從菲涅耳透鏡片的出射角度不均勻，在從觀察者一側看來時，就會產生投影到屏幕上的圖像的亮度不均勻的問題。
而且，由于菲涅耳透鏡是同心圓狀，所以在包含通過菲涅耳透鏡中心的水平線的區(qū)域內，光向垂直方向折射的作用就弱。另一方面，在將放大圖像從傾斜方向投影到屏幕時，即使是對于包含通過菲涅耳透鏡中心的水平線的區(qū)域，也有來自傾斜方向的光的射入。所以，在傾斜投影的情況下，從包含通過菲涅耳透鏡中心的水平線的區(qū)域出射的光的出射角，難以成為大致0度。
本發(fā)明是鑒于上述問題而提出，其目的在于，提供一種適用于縮短裝置的進深，同時使屏幕上投影的圖像的亮度更為均勻的技術。
為了達到上述目的，本發(fā)明的特征在于，使該菲涅耳透鏡的原表面設置為與對上述屏幕的光線的入射角相對應成為非球面形狀，以使該菲涅耳透鏡的棱鏡角隨著從菲涅耳透鏡的中心向半徑方向而增大。而且，本發(fā)明的特征還在于，在菲涅耳透鏡片的光入射面的，包含與菲涅耳透鏡的中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域內，在垂直方向上排列有多個沿水平方向延伸形成的入射面棱鏡。
由此，能夠使入射到上述菲涅耳透鏡片的入射面的投影圖像，在上述屏幕的大致整個表面上，可從該菲涅耳透鏡片的出射面，以大致0度的出射角進行出射。而且，由上述入射面棱鏡，能夠使入射到包含上述菲涅耳透鏡中心的規(guī)定區(qū)域的入射光預先向屏幕面的垂線方向折射。所以，使得從菲涅耳透鏡片的該規(guī)定區(qū)域出射的光的出射角大致為0度(與屏幕面的垂線大致平行)。
在上述屏幕的垂直方向的尺寸為T時，排列有上述入射面棱鏡的上述規(guī)定垂直范圍的大小可以是T/15～T/4。另外，在屏幕中央部的入射面棱鏡的棱鏡高度，可以設置比該中心以外的棱鏡高度低，也可以在該中央部設置入射面棱鏡。
根據上述結果，即使是在使用具有用于修正由傾斜投影所產生的梯形圖像失真的曲面的光學系統的情況下，也能夠與來自該曲面的反射所引起的、向著屏幕的入射光線的入射角的變化相對應。就是說，即使是產生這樣的入射角的變化，也能夠由具有與此相對應的菲涅耳角的菲涅耳透鏡，使入射光線向著與屏幕垂線大致平行的方向(與屏幕的主平面垂直的方向)折射并出射。所以，根據本發(fā)明的結構，能夠在屏幕全體上使出射光的出射方向與屏幕垂線大致平行而聚齊，能夠實現圖像顯示裝置的進深尺寸的降低，同時能夠得到均勻、明亮的投影圖像。


圖1是表示本實施方式中投影型圖像顯示裝置的結構一例的截面圖。
圖2是表示本實施方式中投影型圖像顯示裝置中采用的背面投影型屏幕的一例的圖。
圖3是說明設定菲涅耳透鏡原表面的方法的圖。
圖4是表示本實施方式下水道屏幕中入射光線的入射角度的分布圖。
圖5是表示本實施方式下水道屏幕中出射光線的出射角度的分布圖。
圖6是表示菲涅耳中心位于菲涅耳透鏡片下端的情況的一例的圖。
圖7是表示入射到圖6的左下部B部的光線α的方向的圖。
圖8是從出射側看到的本發(fā)明的一個實施例的菲涅耳透鏡片的圖。
圖9是從入射側看到的本發(fā)明的一個實施例的菲涅耳透鏡片的圖。
圖10是本發(fā)明的一個實施方式中菲涅耳透鏡片下端部C的yz截面的模型圖。
圖11是表示本實施方式中菲涅耳透鏡片的棱鏡面與原表面之間關系的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖對實施方式進行詳細說明。
首先，附圖1是表示本實施方式中圖像顯示裝置的結構一例的截面立體圖。在圖中，圖像發(fā)生源1可以是包含投影型陰極射線管的發(fā)生源。另外，也可以是反射型/透過型的液晶面板，或者是包含設置有多個微小反射鏡的顯示元件等圖像調制元件的發(fā)生源。在使用這樣的圖像調制元件的情況下，圖像發(fā)生源還包含用于將光照射到該圖像調制元件的水銀燈等光源，圖像調制元件對應于輸入圖像信號而對每個像素調制來自該光源的光，由此形成圖像。這樣，在圖像發(fā)生源1的顯示畫面上就顯示小型的圖像。由圖1可知，用于將該小型圖像放大投影于背面投影型屏幕3的投影光學系統包含，用于將上述圖像放大投影于背面投影型屏幕3的圖像放大部·投影的作為圖像放大部的透鏡2，反射從該投影透鏡出射的圖像光的第一曲面反射鏡4，將由該第一曲面反射鏡4反射的光進行反射的第二曲面反射鏡5，以及為了降低圖像顯示裝置的進深而將由第二曲面反射鏡5反射的光進行反射的、例如平面狀的反射鏡6。投影透鏡2、第一曲面反射鏡4、第二曲面反射鏡5及平面狀的反射鏡6，設置在從圖像發(fā)生源1到背面投影型屏幕3的光路的中途。還有，這些元件都容納于圖像顯示裝置的殼體7的內部，固定于規(guī)定的位置。
就是說，根據上述說明的結構的圖像顯示裝置，從投影透鏡2出射的圖像光，傾斜地投影于背面投影型屏幕3。即，圖像中心的光線(從圖像調制元件的中心位置所發(fā)出的光線)，對于背面投影型屏幕3的主平面的垂線，以規(guī)定的角度從下方進行投影。該傾斜投影的圖像光，在背面投影型屏幕3上與上述梯形失真一起，發(fā)生像差。因此，由上述第一曲面反射鏡4與第二曲面反射鏡5對該像差進行修正。
圖2是表示本實施方式中投影型圖像顯示裝置中背面投影型屏幕3的詳細結構的一例。就是說，圖2是表示切取了背面投影型屏幕3的一部分并進行了放大的立體圖。如圖可知，該背面投影型屏幕3設置有具有用于確定其棱鏡面的菲涅耳角的原表面成為非球面形狀的折射型菲涅耳透鏡的，所謂非球面菲涅耳透鏡片8(以下簡稱“菲涅耳透鏡片”)，和作為擴散片的雙凸出透鏡片9。這里，如圖所示，在菲涅耳透鏡片8的光出射面上，以某點為中心呈同心圓狀地形成有多個菲涅耳透鏡。
而且，菲涅耳角是指棱鏡面與菲涅耳透鏡片的主平面所成的角。根據該結構的背面投影型屏幕3，由于上述菲涅耳透鏡片8的作用，即構成透鏡片的菲涅耳透鏡的非球面棱鏡的作用，使從圖中箭頭a的方向投影的放大投影圖像(未圖示)的光，能夠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?；蛘呤?，使上述放大投影圖像的光，變換為少許向內側，即向著背面投影型屏幕3的中心的光。就是說，從菲涅耳透鏡片8出射的光的出射角，即對于上述背面投影型屏幕3的垂線的角度，大致為0度。其后，從菲涅耳透鏡片8出射的光，入射到雙凸透鏡片9。而且，如圖所示，雙凸透鏡片9，在屏幕畫面的水平方向上，以屏幕畫面的垂直方向為長度方向排列有多個雙凸透鏡。因此，就具有將從菲涅耳透鏡片8出射的光向屏幕畫面水平方向擴散的作用。而且，在上述雙凸透鏡片9的出射面的、與雙凸透鏡的邊界相對的位置上，形成有在畫面的垂直方向上延伸的黑條(black stripe)10。由此，吸收從屏幕出射側入射的外光。進而，對該雙凸透鏡片9，由混合有擴散材料11的透明樹脂而形成。因此，該混入的擴散材料11具有能夠使上述圖像光向屏幕畫面的水平及垂直方向上擴散的作用。
在本實施例中，作為起到向屏幕畫面的水平及垂直方向上擴散作用的光學部件，以混入擴散材料11的雙凸透鏡片9為例進行的說明。但是，也可以使用具有，反射來自菲涅耳透鏡片8的光，并向水平方向擴散的全反射面的擴散片。進而，也可以是稠密配置有微小顆粒(beads)的顆粒型的擴散片。另外，當然也可以是以其它形式擴散光的元件。
還有，雖然在圖中未表示，但也可以在雙凸透鏡片9的光出射一側配置平面狀的前面板。而且，也可以使用粘合劑等將該前面板與雙凸透鏡片9粘合而一體化。進而，也可以是擴散材料11不混入雙凸透鏡片9，而是混入前面板。而且，還可以對上述前面片9的光出射設置防反射膜及硬涂層。另外，在圖2中，在與雙凸透鏡片9的出射面的與雙凸透鏡的相對的位置，即雙凸透鏡的焦點部，形成第二雙凸透鏡，但在作為圖像發(fā)生源1而使用上述圖像調制元件的情況下，也可以使上述焦點部為平面狀。在雙凸透鏡片9與前面板結合的情況下，優(yōu)選在兩者的結合面中不含有空氣而進行結合。
下面，參照圖3的模型圖，對上述菲涅耳透鏡片8中形成菲涅耳透鏡中，設定形成有同心圓狀的多個棱鏡面的面形狀(即所謂菲涅耳透鏡的原表面)的方法加以詳細說明。還有，如上所述，構成該菲涅耳透鏡片8的菲涅耳透鏡的棱鏡面，是形成以某一點(旋轉軸)為中心的同心圓狀。而且，決定各菲涅耳透鏡的棱鏡面的菲涅耳角，即決定該棱鏡面與菲涅耳透鏡片8的主平面所成的角度的原表面為非球面形狀。這里所謂原表面，如上所述，是指為了決定各棱鏡面的菲涅耳角的面，將菲涅耳透鏡片8全體作為一個透鏡時的該透鏡面。就是說，在設定菲涅耳透鏡的棱鏡面的菲涅耳角的情況下，首先假定菲涅耳透鏡片8的全體具有一個透鏡的特性，將其透鏡的面形狀設定為原表面。而且，將其原表面的與菲涅耳透鏡片8的各點相對應的形狀(例如各點對于原表面的切線)在菲涅耳透鏡片8的面上展開。由此，設定該菲涅耳透鏡片8各點上棱鏡面的菲涅耳角。所以，將菲涅耳透鏡片全體中各透鏡面，與其菲涅耳角相對應而相互連接的曲線，即包含全體菲涅耳透鏡片的全部棱鏡面的集合的包絡線，表示上述原表面。所以，角菲涅耳透鏡片各點的棱鏡面中的光折射方向，是由與其各棱鏡相對應的上述原表面的形狀所決定。還有，上述旋轉軸，與菲涅耳透鏡片8的主平面(圖中xy面)相垂直(包含圖中z軸的面)。而且，該旋轉軸包含入射到菲涅耳透鏡片8的光線13，和將菲涅耳透鏡片8左右相等地垂直分割的面14(與yz面相平行的面)的交點15。就是說，旋轉軸是與菲涅耳透鏡片8的主平面相垂直的軸，即圖3的軸12。
但是，在上述中，由于入射光線13的入射角度(對于入射面的垂線的角度)隨屏幕上的位置而變化，所以，這里由上述所求得的軸12也存在有多個。而且，在這些多個軸中，以其大致中央的軸作為菲涅耳透鏡的旋轉軸(即構成菲涅耳透鏡的同心圓狀的棱鏡的中心位置)。
接著，按照下述方法求得上述各棱鏡面的菲涅耳角的形狀(角度)。首先，由菲涅耳透鏡片8的棱鏡面使向著屏幕的入射光線進行折射，同時對于菲涅耳透鏡片8各點，分別利用斯涅爾定律(snells law)而求出用于向上述垂線方向出射的(出射角為0度)棱鏡的角度。接著，連接該求出的棱鏡面，形成上述菲涅耳透鏡的原表面(非球面)。還有，該求出的原表面，可以由非球面式所近似。此時，進而進行近似的非球面系數與實際的光的出射角的比較，對旋轉軸的位置及非球面系數進行適宜、必要的修正及/或變更，以使出射角大致為0度。
這樣，由上述求得的要素，即成為構成菲涅耳透鏡的同心圓狀的棱鏡部的旋轉中心的旋轉軸的位置，及由各棱鏡面的集合所形成的原表面的非球面系數，構成上述菲涅耳透鏡片8。根據這樣結構的菲涅耳透鏡片8，通過在圖像顯示裝置的投影光學系統中圖像光路中設置的曲面反射鏡(第一曲面反射鏡4與第二曲面反射鏡5)，能夠使入射到屏幕的圖像光，以0度從屏幕的出射角而出射。這樣，根據本實施方式的菲涅耳透鏡，能夠在屏幕的整個表面上，得到大致均勻的圖像的亮度。
接著，表示將上述說明的菲涅耳透鏡片8應用于屏幕對角線50英寸(高∶寬＝9∶16)的圖像顯示裝置的情況下，各光學部件的數值的一例。而且，以下的表1是表示投影透鏡2以后的由(x、y、z、角度、距離)所表示的光學部件的配置。這里，投影透鏡的角度表示透鏡出射角度，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，以屏幕的中心位置作為坐標的原點((x、y、z＝(0、0、0))。而且，在該坐標中，以屏幕的左右方向(水平方向)為x軸，以右方向為+(正)。而且，以屏幕的上下方向(垂直方向)為y軸，以上方向為+(正)。進而，以其進深方向為z軸，以向著圖像顯示裝置的后方向為-(負)。另外，角度是xz截面與x軸所成的角度。而且，距離是從圖像發(fā)生源1包含的圖像調制元件的中心點到屏幕中心的光線的、各光學部件之間的光路的長度。而且，x、y、z及距離的單位是mm。
表1

下面的式(1)是表示自由曲面的多項式，上述第一曲面反射鏡4、第二曲面反射鏡5，是由該式(1)所求出。表示本實施方式中第一曲面反射鏡4的自由曲面形狀的多項式的各系數的一例記述于下面的表2，表示第二曲面反射鏡5的自由曲面形狀的多項式的各系數的一例記述于下面的表3。
w＝∑cj·um·vn(1)
表2

表3

這里，上述式(1)的坐標，橫方向為u坐標，縱方向為v坐標，而且，與面垂直，且與z軸相同的方向為w方向。而且，在上述式(1)中，cj是使用以下的式(2)所得到的um·vn的系數，j是2以上的整數。
j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1(2)這樣，本實施方式的第一曲面反射鏡4、第二曲面反射鏡5的各反射面，形成自由曲面的形狀。在本實施方式中，該自由曲面的形狀，以y軸為中心左右對稱，以x軸為中心非對稱。就是說，本實施方式的第一曲面反射鏡4、第二曲面反射鏡5的各反射面，是旋轉非對稱的自由曲面形狀。而且，至少任意一方彎曲，以使對其反射方向的凸向上，對入射到透過型屏幕3下端的入射光線進行反射的部分的曲率，比對入射到上述屏幕上端的入射光線進行反射的部分的曲率大。而且，也可以是對入射到上述任何一方屏幕下端的光線進行反射的部分，對于其反射方向成為凸狀，而對入射到上述屏幕上端的光線進行反射的部分對于其反射方向成為凹狀。
而且，下面的式(3)表示非球面的多項式，菲涅耳透鏡片8的原表面的形狀根據式(3)而求出。表示本實施方式中菲涅耳透鏡片8的原表面的形狀的多項式的各系數的一例記述于下面的表4。
z＝(c·r2)/[1+{1-(1+k)·c2·r2}1/2+d4·r4+d6·r6+d8·r8+d10·r10+d12·r12+d14·r14+····(3)表4

這里，在上述式(3)中，z是與z軸平行的面的下垂量，r是自旋轉軸的距離，c是頂點曲率，k是二次曲線常數，dn(n＝2、4、6、8、10、12……；2的倍數)是表示n次非球面系數。
而且，本實施方式中的菲涅耳透鏡片8，從射向屏幕的圖像光的分布，菲涅耳透鏡的中心軸(參照圖2的符號12)，設定在自屏幕的中心向下方僅離開545mm的位置。就是說，根據本實施方式，上述菲涅耳透鏡片8，在透鏡片面上并不具有該中心軸，該菲涅耳透鏡的中心軸位于從上述菲涅耳透鏡片8離開的位置上。換言之，在本實施方式中，形成棱鏡面的同心圓的中心點，是上述圖像顯示裝置的顯示圖像的區(qū)域的外側。而且，構成菲涅耳透鏡的各棱鏡，是沿著以位于該屏幕外側的中心軸為中心的同心圓的圓弧而形成。
這里，由上述表4的非球面系數所得到的菲涅耳透鏡片8的原表面21與菲涅耳透鏡的各棱鏡面22的關系如圖11所示。圖11是表示菲涅耳透鏡片8的、與該菲涅耳透鏡片8的垂線相平行，且包含上述旋轉軸的截面。在圖6中，r是與上述式(3)的r相對應，表示離開旋轉軸的距離。距離r1的棱鏡面22的菲涅耳角θ1(菲涅耳透鏡片8的主平面與棱鏡面所成的角度)，與該距離r1的原表面21的斜率(切線)大致相等。就是說，設由上述式(3)所表示的原表面的非球面內式為Z(＝f(rn))，n為1以上的整數，則菲涅耳透鏡片8的各位置的菲涅耳角θn可以由式(4)表示。
θn＝f(rn)′(4)由此，θ1＝f(r1)′、θ2＝f(r2)′、θ3＝f(r3)′……。這樣，菲涅耳透鏡片8的各位置的菲涅耳角θn，就與非球面式的各位置(各距離rn)中的微分值大致對應。這樣，設定菲涅耳透鏡片8的各位置的菲涅耳角θn。如上所述，入射到菲涅耳透鏡片8的光線，由菲涅耳透鏡的各棱鏡面22所折射。如上所述，如果將菲涅耳透鏡片8的原表面21設置為與向菲涅耳透鏡片8的各位置的入射光線的入射角相對應的非球面形狀，則由各棱鏡面22所折射的各光線，就與菲涅耳透鏡片8的垂線大致平行。
這樣，本實施例的菲涅耳透鏡的棱鏡角，隨著從菲涅耳透鏡的中心向半徑方向而階段性地、或緩慢增大。而且，在本實施例中，位于菲涅耳透鏡片上部(即距離旋轉軸的最遠的位置)的棱鏡面22的菲涅耳角θ，比位于菲涅耳透鏡片下部(即距離旋轉軸的最近的位置)的棱鏡面22的菲涅耳角θ大。這是由于在本實施方式的傾斜投影光學系統中，屏幕上部的光線入射角比屏幕下部的光線入射角大。而且，在本實施方式中，如上所述，由于旋轉軸位于菲涅耳透鏡片8的外側，所以各棱鏡面22都向相同的方向傾斜。
而且，在上述實施例中，投影透鏡的光軸位于yz平面內，且配置為，由該平面內的2個曲面反射鏡與一個平面反射鏡反射圖像光的光軸。但是，這些位置及數量等，并不限于上述實施例。
例如，也可以配置為，以投影透鏡的光軸方向作為x軸方向，由反射鏡或曲面反射鏡將光軸向z軸方向折射，由yz平面內的曲面反射鏡與平面反射鏡而反射光。還有，根據這樣的配置，能夠將投影透鏡與圖像源容納在殼體內屏幕下側的小盒內。這樣，就能夠起到抑制圖像顯示裝置的高度的作用。
而且，本實施方式中使用的投影光學系統，至少設置有一個用于修正梯形失真及象差的曲面，并不限于本實施例中的那樣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。而且，也可以不是反射型，而是至少一面以上的折射型自由曲面，即，可以是具有自由曲面的非旋轉對稱的透鏡。進而，當然還可以是反射型自由曲面(自由曲面反射鏡)與折射型自由曲面(自由曲面透鏡)的雙方進行組合。這里，自由曲面透鏡可以是，向其光的出射方向凹進而彎曲，且入射到屏幕下端的光線所通過的部分的曲率，比入射到屏幕上端的光線所通過的部分的曲率大的形狀。
而且，在以上詳細敘述的實施例中，為了計算構成上述菲涅耳透鏡片8的透鏡的非球面，對球形棱鏡面進行了說明。但是，此時，例如存在有根據傾斜投影距離及投影距離等，難以達到最優(yōu)化的情況。以下，針對該情況，對能夠求出棱鏡面的合適的方法加以說明。
一般地，圖像顯示裝置的水平方向的視野角比垂直方向要寬。因此，水平方向上通過雙凸透鏡的動作，能夠使水平方向上擴散良好。與此相比，在垂直方向上，主要是由雙凸透鏡的擴散材料(參照圖2的符號9、11)來擴大視野，因此，在求菲涅耳透鏡的棱鏡面的形狀時，如下所述。就是說，不是要求如上所述，使從屏幕出射的光線與屏幕的垂線相平行的最優(yōu)化，取而代之的是，將從屏幕出射的光線分為水平成分與垂直成分，由斯涅爾定律計算用于使垂直成分的出射角大約為0度的出射角。由此，可以求得各屏幕位置的棱鏡面。
根據連接這樣所求得的棱鏡面所得到的原表面，與上述同樣，也能夠以大致0度的出射角而出射擴散性能低的垂直成分。因此，即使是根據以往的擴散材料，也能夠充分地擴散。另一方面，對于水平成分，由于其擴散性能良好，所以即使是出射角大，也能夠由菲涅耳透鏡而充分地擴散。其結果是，在屏幕上所得到的投影圖像的亮度能夠均勻。還有，在這種情況下，構成上述菲涅耳透鏡片8的菲涅耳透鏡的棱鏡面可以是曲面形狀，但又并非一定限于曲面形狀。但是，如上所述，根據具有原表面為非球面形狀的棱鏡面的菲涅耳透鏡片8，在全體屏幕上，能夠得到亮度更為均勻的投影圖像。還有，各自的棱鏡面也可以是在通過上述旋轉軸的菲涅耳透鏡片8的截面中成為平面，也可以是曲面。該曲面也可以是非球面。
上述實施例是，原表面為非球面形狀的菲涅耳透鏡的棱鏡面以上述旋轉軸為中心而形成同心圓狀，該旋轉軸位于上述圖像顯示裝置的圖像顯示區(qū)域外側。但是，并不限于上述實施例，該旋轉軸也可以位于圖像顯示裝置的圖像顯示區(qū)域內側。只是，如果形成該棱鏡面的同心圓的中心點作為圖像顯示裝置的圖像顯示區(qū)域，在調整為了使屏幕出射面的出射角大致為0度而出射所必要的折射程度時，比較容易。其理由在下面說明。還有，在以下的說明中，上述折射程度的調整稱為“折射調整”。
首先，考慮上述旋轉軸位于菲涅耳透鏡片的內部的情況。包含該旋轉軸的水平線上的棱鏡面，僅在水平方向、即左右方向折射，在上下方向、即垂直方向上不折射。所以，在包含該旋轉軸的水平線上入射包含上下成分的光線的情況下，在該水平線上的棱鏡面上，包含該上下成分的入射光就不能成為良好的平行光(與屏幕主平面垂直的平行光)。
在本實施方式中，如上所述，使用從屏幕的下方傾斜地投影圖像的投影光學系統，而且，傾斜投影的光學系統，設置有用于對屏幕上的梯形失真與象差進行修正的曲面。在使用這樣的光學系統的情況中，大多是入射到屏幕的全部光線都是具有上下方向的成分的情況。所以，優(yōu)選菲涅耳透鏡片8不具有在上下方向不使光折射的棱鏡面，在菲涅耳透鏡片8的各位置上進行水平方向及垂直方向的雙方的折射調整。
因此，在本實施方式中，是上述菲涅耳透鏡的旋轉軸位于菲涅耳透鏡片8的外側的結構。這樣做，能夠使菲涅耳透鏡片8的棱鏡面全部在上下方向上具有對光的折射作用。由此，使菲涅耳透鏡片8的各位置中的左右方向及上下方向的雙方的折射調整變得容易。就是說，如果旋轉軸位于菲涅耳透鏡片8的外側，則入射到屏幕的光線能夠成為良好的平行光。
由圖3可知，在上述實施方式中，菲涅耳中心在菲涅耳透鏡片8的外側。但是，在使用包含曲面反射鏡的傾斜投影光學計的投影型圖像顯示裝置中，也存在有菲涅耳中心在菲涅耳透鏡片8的內側的情況。在這種情況下，會發(fā)生下述的問題。
圖6是表示菲涅耳中心在菲涅耳透鏡片下端的情況下的菲涅耳透鏡片8的模型圖。此時，包含菲涅耳中心附近的水平區(qū)域(范圍)的棱鏡面，可以看作與畫面垂直方向大致平行的棱鏡面。入射到圖6的畫面左下部的光線α如圖7所示。此時，光線α能夠分解為x軸上的光線成分β、y軸上的光線成分γ、以及z軸上的光線成分δ。δ的方向是向菲涅耳透鏡片垂直出射的光線方向，在菲涅耳透鏡片的棱鏡面上，必須將x軸上的光線成分β與y軸上的光線成分γ變換為δ方向。然而，由于菲涅耳透鏡片8的棱鏡面不具有對于y方向的角度，所以不能折射冰不能射向δ方向。所以，入射到菲涅耳透鏡片8的左下部B部的光線α，不是向畫面垂直方向，而是向畫面上方出射。
以下所述的實施例，是與上述菲涅耳中心在菲涅耳透鏡片8的內側的情況下所發(fā)生的新問題相對應的例子。就是說，本實施例的特征在于，在菲涅耳透鏡片8的光入射面的、包含與菲涅耳中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域，設置有入射面棱鏡30。以下，將形成了該入射面棱鏡30的區(qū)域稱為“棱鏡區(qū)域”。上述入射面棱鏡30，是在畫面的水平方向上延伸而形成的直線狀，在上述棱鏡區(qū)域的畫面垂直方向上排列有多個。以下，參照圖8、圖9、圖10(a)、(b)所示的模型圖對本實施例進行說明。
圖8、圖9是表示菲涅耳中心在菲涅耳透鏡片8的下端的情況下菲涅耳透鏡片20的模型圖。圖8是從出射側看到的，圖9是從入射側看到的菲涅耳透鏡片8的圖。在這些圖中，使光線從b方向入射到菲涅耳透鏡片8。菲涅耳透鏡片8的入射面，除了包含菲涅耳中心附近的棱鏡區(qū)域之外大致為平面狀，在出射面上設置有用于使光線對于透鏡片大致垂直出射的同心圓狀的菲涅耳透鏡21。而且，在入射面的包含菲涅耳中心附近的棱鏡區(qū)域，在畫面垂直方向上排列有多個具有與菲涅耳透鏡片下端的邊平行的棱鏡面的入射面棱鏡30。以下參照圖10(a)、(b)對該入射面棱鏡30的光學作用進行說明。
圖10(a)、(b)是本實施方式中菲涅耳透鏡片下端部C的yz截面的模型圖。(a)表示圖8、圖9所示的菲涅耳透鏡片8的下端部C的截面，(b)表示未形成入射面棱鏡的菲涅耳透鏡片8的下端部的截面。如圖10(a)所示，通過設置入射面棱鏡30，yz平面內的光線向下方折射，與屏幕的垂線大致平行。由此，能夠使從菲涅耳透鏡片8出射的光的垂直方向上的成分大致為0。這里入射棱鏡的角度、即垂直方向上的角度的修正量，是分別求出入射到包含菲涅耳中心附近的水平區(qū)域的光線的垂直成分的角度修正量，由其平均所決定即可。與此相比，如圖10(b)所示，在沒有入射面棱鏡30的情況下，由于入射板是平板，所以不能對入射光的垂直成分進行修正，出射光線向上。
如上所述，在本實施例中，入射面棱鏡30不是在菲涅耳透鏡片8的入射面的全表面形成，而是僅在棱鏡區(qū)域形成。這里，如圖9所示，棱鏡區(qū)域在屏幕的垂直方向上有規(guī)定的寬度W。在屏幕垂直方向上的尺寸為T時，該寬度W滿足T/15≤W≤T/4的關系。例如，如果屏幕的尺寸為50英寸，其垂直方向上的尺寸約為600mm時，寬度W設定為約40～150mm。就是說，該區(qū)域是向菲涅耳透鏡的垂直方向的折射力較弱的區(qū)域，通過在該區(qū)域內設置入射面棱鏡，能夠取代菲涅耳透鏡(特別是菲涅耳中心的菲涅耳透鏡)，使光向垂直方向折射。所以，即使是在向垂直方向的折射力弱的區(qū)域，其出射光的出射角也能夠成為大致0度。
在本實施例中，是對貫通屏幕水平方向上全體而形成入射面棱鏡30的情況進行的說明。但是，入射面棱鏡30并無必要在棱鏡區(qū)域內貫通屏幕水平方向上全體而形成。即使是在上述棱鏡區(qū)域，菲涅耳中心附近的菲涅耳透鏡具有向垂直方向的折射力，從菲涅耳中心向透鏡方向離開的越遠，菲涅耳透鏡的向垂直方向的折射力越弱。所以，即使在上述棱鏡區(qū)域內，也是在菲涅耳中心附近的中心部，入射面棱鏡30的高度或其棱鏡角比其它區(qū)域的相應的值小即可。而且，在上述棱鏡區(qū)域內，也是對于菲涅耳中心附近的中心部設置入射面棱鏡30即可。
而且，由于入射面棱鏡30與菲涅耳透鏡為相互垂直的關系，所以沒有必要考慮關于二者的波紋。所以，入射面棱鏡30的傾斜，由圖像發(fā)生源的像素傾斜而決定即可。
在上述實施例中，是對菲涅耳中心在菲涅耳透鏡片下端部的情況進行的說明，但并不限于此。例如，如果菲涅耳透鏡片20的菲涅耳中心在透鏡片面內，則通過在包含菲涅耳中心附近的規(guī)定區(qū)域設置上述入射面棱鏡，能夠取得同樣的效果。而且，在上述實施例中，是對入射到菲涅耳中心附近的光線具有向上角度的成分的情況進行的說明，但對于具有向下角度的成分的情況也是同樣。但是，這種情況下入射面棱鏡30的棱鏡面的斜率，當然是與圖8～圖10所說明的情況相反的方向。
在具有以上結構的放大投影光學系統中實際觀察到的、光線(透射光)向屏幕的入射角(縱軸)，對于自上述菲涅耳透鏡的中心軸的距離(橫軸)的分布狀態(tài)，如圖4所示的曲線圖。從圖4可知，菲涅耳中心的入射角不是0度，而是具有Δθ的角度。
而且，在圖5中，表示了從屏幕出射的光線(透射光)的出射角(光線與屏幕垂線的角度)，對于自上述菲涅耳透鏡的中心軸的距離(橫軸)的分布狀態(tài)。而且，在該圖中，為了進行比較，在使用具有原表面為球面狀的菲涅耳透鏡的菲涅耳透鏡片8的情況下光線的出射角度，用虛線表示。
就是說，由上述圖示的曲線圖可知，在原表面為球面形狀的菲涅耳透鏡中，對應于從菲涅耳透鏡中心軸的距離(橫軸)，最大產生約5度入射角的差。而且，在菲涅耳透鏡中心軸附近，由于不能進行yz方向的修正，所以產生約1.5度的差。由此，使屏幕上的亮度不均勻。與此相比，可知，采用本實施方式的菲涅耳透鏡片8時，由于其原表面為非球面形狀，且由入射面棱鏡30能夠對入射光的垂直方向的成分進行修正，所以與自菲涅耳透鏡中心軸的距離(橫軸)無關，都能夠將其光線的出射角抑制在約0.8度以內。換言之，能夠使全體屏幕上的亮度均勻。因此，在原表面為球面形狀的菲涅耳透鏡片中，屏幕上的亮度是不均勻的。
另外，在采用了上述結構的放大投影光學系統的、屏幕對角線為50英寸(高∶寬＝9∶16)的圖像顯示裝置中，該裝置的厚度約為300mm。就是說，根據本實施方式，能夠使裝置進一步薄型化。還有，上述實施例中的投影透鏡，是具有1300mm的投影距離，具有能夠在對角線為50英寸(高∶寬＝9∶16)的屏幕上放大投影圖像的功能的透鏡。但是，本發(fā)明特別是對于表示上述結構要素的尺寸及其特性的數值，并非是限于上述實施例中所表示的數值。例如，傾斜投影角度及投影距離等樣式的綜合，通過與上述反射鏡一起進行適當的光學設計，能夠得到上述尺寸與特性，這一點對于業(yè)內人士來說應該容易理解。
根據以上的說明，本實施方式能夠適用于使用縮短進深的圖像投影光系統，且具有用來對由傾斜投影所產生的梯形失真進行修正的曲面反射鏡的結構的圖像顯示裝置。在這樣的圖像顯示裝置中，為了使具有各種入射角的入射光從屏幕大致垂直地出射，在本實施方式中，使菲涅耳透鏡片中形成的菲涅耳透鏡的原表面為非球面形狀。而且，在包含菲涅耳中心附近的規(guī)定區(qū)域內設置入射面棱鏡。其結果是，從屏幕出射的光的出射角度，能夠在屏幕的大致整個表面上與屏幕的垂線基本平行，所以能夠得到亮度均勻的高質量的圖像。而且，還能夠縮短裝置的進深，達到圖像顯示裝置的薄型化。
權利要求
1.一種投影型圖像顯示裝置，其特征在于具有，發(fā)生圖像的圖像發(fā)生源，屏幕，將所述圖像發(fā)生源的圖像放大、并相對于所述屏幕的垂線以規(guī)定角度從傾斜方向進行投影的投影光學部；所述屏幕至少包含菲涅耳透鏡片，在該菲涅耳透鏡片的光出射側呈同心圓狀地設置有多個菲涅耳透鏡；該菲涅耳透鏡的棱鏡角，隨著從所述同心圓狀的菲涅耳透鏡的中心向半徑方向而增大；在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、包含與所述菲涅耳透鏡的中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域內，在垂直方向上排列有多個在水平方向上延伸形成的入射面棱鏡。
2.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于使所述多個菲涅耳透鏡的棱鏡面連續(xù)地相互連接時所形成的原表面的形狀，成為非球面形狀。
3.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于當所述屏幕的垂直方向的尺寸為T時，排列有所述入射面棱鏡的所述規(guī)定垂直范圍的大小為T/15～T/4。
4.如權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述屏幕，除了所述菲涅耳透鏡片以外，還包含配置在該菲涅耳透鏡片的光出射側的、用于使從該菲涅耳透鏡片出射的光至少在水平方向上進行光擴散的擴散片。
5.一種投影型圖像顯示裝置，其特征在于具有，發(fā)生圖像的圖像發(fā)生源，屏幕，將所述圖像發(fā)生源的圖像放大、并相對于所述屏幕的法線方向以規(guī)定角度從傾斜方向進行投影的投影光學部；所述屏幕至少包含菲涅耳透鏡片，在該菲涅耳透鏡片的光出射側呈同心圓狀地設置有多個菲涅耳透鏡；使所述多個菲涅耳透鏡的棱鏡面連續(xù)地相互連接時所形成的原表面的形狀，成為非球面形狀；在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、包含與所述菲涅耳透鏡的中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域內，在垂直方向上排列有多個在水平方向上延伸形成的入射面棱鏡。
6.如權利要求5所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述投影光學部，包含用于反射被放大的圖像，并將其導向所述屏幕的曲面鏡；決定所述原表面的非球面形狀的非球面系數被設定為，使由該曲面鏡反射并從所述菲涅耳透鏡片的入射面入射的投影圖像，在所述屏幕的大致整個表面上，從所述菲涅耳透鏡片的出射面，以大致0度的出射角出射。
7.一種屏幕，該屏幕用于投影型圖像顯示裝置，其特征在于至少具有，在光出射面上形成有多個同心圓狀的菲涅耳透鏡的菲涅耳透鏡片，和配置在該菲涅耳透鏡片的光出射側、用于使來自該菲涅耳透鏡片的出射光至少在水平方向上擴散的擴散片；該菲涅耳透鏡的棱鏡角，隨著從所述同心圓狀的菲涅耳透鏡的中心向半徑方向而增大；在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、包含與所述菲涅耳透鏡的中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域內，在垂直方向上排列有多個在水平方向上延伸形成的入射面棱鏡。
8.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于來自發(fā)生圖像的圖像發(fā)生源的中心的光束，相對所述菲涅耳透鏡片的入射面的垂線，從傾斜方向入射。
9.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于使所述多個菲涅耳透鏡的棱鏡面連續(xù)地相互連接時所形成的原表面的形狀，成為非球面形狀。
10.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于當所述屏幕的垂直方向的尺寸為T時，排列有所述入射面棱鏡的所述規(guī)定垂直范圍的大小為T/15～T/4。
11.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于所述屏幕的中央部的所述入射面棱鏡的棱鏡高度，比該中心以外的棱鏡高度低。
12.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于在包含所述垂直范圍的屏幕中央部的區(qū)域內，不形成所述入射面棱鏡。
13.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于所述菲涅耳透鏡的中心位于所述屏幕的下端附近，所述入射面棱鏡與該屏幕的下端的邊大致平行。
14.如權利要求7所述的屏幕，其特征在于所述擴散片，具有在水平方向上排列的多個雙凸透鏡，用于通過使從所述菲涅耳透鏡片出射的光至少在水平方向上反射而使光擴散的全反射面，或微小顆粒。
15.一種菲涅耳透鏡片，用于投影型圖像顯示裝置用的屏幕，其特征在于具有，設置在所述菲涅耳透鏡片的光出射面上的同心圓狀的菲涅耳透鏡，和設置在所述菲涅耳透鏡片的光入射面的、包含與所述菲涅耳透鏡的中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域內的入射面棱鏡；所述入射面棱鏡，在水平方向上延伸形成，且在所述規(guī)定垂直范圍中，在垂直方向上排列有多個；該菲涅耳透鏡的棱鏡角，隨著從所述同心圓狀的菲涅耳透鏡的中心向半徑方向而增大。
16.如權利要求15所述的菲涅耳透鏡片，其特征在于使所述多個菲涅耳透鏡的棱鏡面連續(xù)地相互連接時所形成的原表面的形狀，成為非球面形狀。
全文摘要
本發(fā)明的投影型圖像顯示裝置，將來自圖像發(fā)生源(1)的圖像，經過包含投影透鏡(2)、曲面反射鏡(4、5)及反射鏡(6)的投影光學系統，從屏幕(3)的背面進行投影。屏幕(3)包含在出射面形成有同心圓狀的菲涅耳透鏡的菲涅耳透鏡片(8)，連接菲涅耳透鏡的棱鏡面時的形狀為非球面形狀。而且，在菲涅耳透鏡片(8)的光入射面處、包含與菲涅耳中心相對的位置的規(guī)定區(qū)域，設置有具有與菲涅耳透鏡片的下端大致平行的棱鏡面的入射面棱鏡(30)。
文檔編號G03B21/00GK1987638SQ20061012645
公開日2007年6月27日 申請日期2006年8月31日 優(yōu)先權日2005年12月22日
發(fā)明者今福大輔, 吉川博樹, 大石哲 申請人:株式會社日立制作所