CN100440029C - 投影式显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种投影式显示设备，具体来说是一种薄的投影式显示设备，其能够显示高质量的图像而不形成重影。该投影式显示设备包括具有棱镜的屏幕和用于将图像光线引导到该屏幕上的投影光学系统。该投影光学系统包括多个光学部件。在所述多个光学部件中，设置在图像光线的光路上最接近屏幕的地方的一个光学部件是反射镜。该反射镜的一个表面的大致在该反射镜中心的法线与屏幕的表面法线之间的角度在75度到87.5度之间，包括端值。

Description

投影式显示设备

技术领域

本发明涉及投影式显示设备，尤其是减小用于从屏幕后面放大投影视频图像、基于计算机的视频画面或者类似画面的背投式视频设备的厚度的技术。

背景技术

近年来，由于数字电视广播服务的启动，各种具有高图像质量的视频源变得广泛起来。并且，在会议上使用基于计算机的视频画面进行展示也变得越来越普遍。结果，用于这种目的的视频设备越来越需要具有大尺寸的屏幕和高的图像质量。作为一种以低成本实现这样的大尺寸、高图像质量的屏幕的有前景的技术，有一种背投式视频设备。在背投式视频设备中，众所周知，将照射光发射到高强度CRT(阴极射线管)、透射式液晶显示器、反射式液晶显示器、数字微反射镜器件(DMD，Digital Micromirror Device)等上面，在其像平面上获得的图像光线被一个投影光学系统放大和投射。图像光线然后被投射到屏幕的背面，使得观看者能够在屏幕的正面看到视频图像。因此，为了极大地放大图像光线，需要相应增加其光路长度。图像光线的光路长度的增加会不利地导致设备深度的增加。

考虑到这一点，可以考虑将图像光线倾斜地投射到屏幕上，以减小设备的厚度，基于这种概念已经提出了各种方案。例如，美国专利申请公开No.2002/0008853A1公开了一种这样的投影光学系统，其性能得到很大的改善，指出了可以用倾斜投影方法获得高性能的视频设备。

另一方面，与用在倾斜投影方法中的背投屏幕相关，存在如下的问题。在背投屏幕中使用普通折射式菲涅耳透镜的情况下，由于入射角增大，屏幕的进入面的反射表面很大。因此，在屏幕上不能获得足够的亮度。另外，由于反射率随着入射角的变大而迅速增大，不能获得均匀的亮度。为了克服这样的问题，提出了一种方案，使用全反射棱镜型菲涅耳透镜，就如例如美国专利No.4674836中所公开的那样。在金反射棱镜型菲涅耳透镜中，沿着弧线布置许多棱镜，在每一个棱镜中产生全内反射，因此即使在入射角大时，也能获得足够的亮度。

使用平面反射镜折叠光路对于在倾斜投影方法中减小设备的深度和高度是有效的。为此目的，已经提出了多种方案。例如，上述美国专利申请公开No.2002/0008853 Al公开了使用大致平行于屏幕的反射镜。同样，上述美国专利No.4,674,836公开了使用基本上垂直于屏幕的反射镜。

同时使用公开在上述方案中的投影光学系统和全反射棱镜型菲涅耳透镜可以使得能够实现深度减小并能获得均匀亮度的背投式视频设备。但是。在实践中有一些问题。例如，在全反射棱镜型菲涅耳透镜中，如果入射角较小，则某些入射光线会透过菲涅耳透镜而不入射到全反射面上，如图11所示。因此，需要使每一个棱镜的顶角θt足够小。

在图11中，光线b以相对于屏幕102的法线121的一个角度落在平面102上，它以入射角θi入射到棱镜PR101的进入面181上。该光线b在进入面上按照斯涅耳折射定律折射而成为折射光线b’。该折射光学b’以出射角θr从进入面181出射，以大于一个临界角的角度入射到棱镜PR101的全反射面182上。然后，光线b被全反射面182反射而弯折100％，成为大致垂直于屏幕102的光线c。棱镜PR101的顶角和进入面181相对于平面表面102的角度θs被预先确定为确保全反射棱镜型菲涅耳透镜的这些作用。但是，与入射光线b相比更接近邻接棱镜PR102的顶端的光线b2直线前进而形成光线b2’，不入射到全反射面182上。直线前进的光线b2’不仅导致光量的损失，而且是称为“重影”的现象的原因，在这种现象中，在不同于图像原始位置的地方出现图像，从而极大地降低视频图像的质量。

顶角θt的减小可以有助于防止这种现象，但是导致另外的问题。图12图解了相对于与图11相同的入射角，减小每一个棱镜的顶角θt的情况。在图12中，与图11相同或者类似的部件用类似的附图标记表示。入射光线b被类似地弯曲而成为光线c，大致垂直于平面102。由于顶角et被减小，在邻接棱镜PR102的顶端附近通过的光线b2也入射到金反射面182上。从而，光线b2在正确的方向被弯曲，变成大致垂直于平面102的光线c2。但是，来自棱镜PR101的进入面181的反射光线可以从其背侧入射到邻接棱镜102的全反射面上，从而成为迷路光线，导致重影。更具体地，反射必定发生在介质间的边界处。例如，当光线从空气传播到折射率为1.49的丙烯酸树脂时，约4％的光线被反射。参见图12，入射光线b的反射光为光线d，它再也不会返回屏幕表面102。另一方面，入射光线b2的反射光线d2进入邻接棱镜PR102，然后依次作为光线a、光线t和光线u前进，从而导致在平面102上出现重影。即使在每一个边界面上由于反射而损失4％，由于在反射光线d2之后已经通过了三个边界面的光线u仅衰减到约88％，光线u仍然具有等于入射光线b2的3.5％(＝4％×88％)的光量，从而损害视频图像质量。

在用大致平行于屏幕的反射镜作为折叠光路的平面反射镜以减小设备深度的情况下，深度方向的尺寸变为大约一半，但是高度方向的尺寸变得比屏幕的高度更大。尤其是，如果为了克服入射角小时出现的上述问题而使入射角的最小值变大，则设备的高度不可避免地变得很大。因此，在使用全反射棱镜型菲涅耳透镜的屏幕的情况下，最好使用大致垂直于屏幕的平面反射镜。如果平面反射镜和屏幕之间的角度稍微小于直角，则可以使设备的深度最小。但是，在这种情况下，又出现另一个问题：在来自平面的棱镜表面的反射光线中，没有进入邻接棱镜的光线从该平面反射镜返回，然后又返回屏幕，从而造成重影。

下面参照图13描述这样的现象。图13是一个示意侧剖面图，图示了在背投式视频设备101内部的光路。在从光源单元104由一个投影光学系统141投射来的光线中，光线a对应于像平面的中心，从平面反射镜103被反射，成为光线b。光线b入射到全反射菲涅耳屏幕102上，然后被弯折为光线c。光线c从全反射菲涅耳屏幕102出射。这里，一定比例的来自菲涅耳屏幕102的进入面(也就是棱镜PR101的进入面181)的反射光在此进入一个邻接棱镜，从而，如上所述，成为重影图像。其余的部分没有再次进入邻接棱镜，作为光线d前进。光线d从平面反射镜103被反射，成为光线e。该光线e不利地入射到屏幕102上不同于原始位置的位置上。光线e然后被全反射菲涅耳作用弯折为光线f。该光线f从屏幕102出射，会被作为重影而看到。类似地，前进到屏幕102底侧的光线g前进而依次形成光线h、光线j、光线k，最后成为光线l，从而也可以作为重影而被看到。另外，全反射菲涅耳屏幕102在光线d的方向反射光线b是作为一种菲涅耳凹面镜，因此具有集光功能。因此，会看到亮度很高的重影。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够显示高质量的图像而不产生任何重影，并具有薄的形状的投影式显示设备。

为达上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种投影式显示设备，其包括：具有多个弧形弯曲的棱镜的屏幕，所述多个棱镜的剖面形状是三角形；和用于将图像光线引导到该屏幕上的投影光学系统，该投影光学系统包括多个光学部件，其中，在所述多个光学部件中，设置在图像光线的光路上最接近屏幕的地方的一个光学部件是平面反射镜，其中，θt在50度和58度之间，三角形对着所述平面反射镜的顶角是θt，并且，其中，该平面反射镜的一个表面与屏幕的表面之间的角度在75度到87.5度之间，包括端值。

根据本发明的另一方面，提供一种投影式显示设备，其包括：具有多个弧形弯曲的棱镜的屏幕，所述多个棱镜的剖面形状是三角形；和用于将图像光线引导到该屏幕上的投影光学系统，该投影光学系统包括多个光学部件，其中，在所述多个光学部件中，设置在图像光线的光路上最接近屏幕的地方的一个光学部件是反射镜，其中，三角形的顶角θt对着所述反射镜，θt在50度和58度之间，其中，通过投影光学系统的光瞳中心之后落到屏幕上的图像光线的光路和屏幕表面法线之间的角度α在60度和85度之间，包含端值，并且，其中，该反射镜的一个表面的大致在该反射镜中心的法线与屏幕的表面法线之间的角度在(45+角度α的最小值/2)度和(45+角度α的最大值/2)度之间，包括端值。

根据本发明的另一方面，提供一种投影式显示设备，其包括：一个全反射棱镜型菲涅耳透镜，该透镜包括一个同心布置的棱镜阵列，每一个棱镜具有一个全反射面；一个屏幕，允许图像光线入射到其背面并可以由观看者在其正面观看到；用于将所述图像光线倾斜投影到所述屏幕的一个表面上的投影光学系统；以及至少一个设置在该投影光学系统和所述屏幕之间的平面反射镜；其中，从所述投影光学系统入射到所述屏幕上的光线的入射角在60度和85度之间，包含端值，并且，所述至少一个平面反射镜中最接近所述屏幕的一个反射镜的表面的法线与该屏幕的表面的法线之间的角度γ满足下述条件：

(45+角度α的最小值/2)度≤γ≤(45+角度α的最大值/2)。

在结合附图阅读下面对优选实施例的详细说明后，本领域的普通技术人员将更加清楚本发明的上述以及其他目的、特征和优点。在附图中，类似的附图标记表示相同或者类似的部件。

附图说明

附图构成说明书的一部分，用于图解说明本发明的实施例，并与说明书一道，用于解释本发明的原理。

图1A、1B和1C的示意图图示了本发明第一实施例的投影式显示设备的结构。具体地，图1A是沿着过中央光线a、垂直于屏幕的平面选取的剖面图。图1B是屏幕的一部分的剖面图。图1C是屏幕的菲涅耳板的放大剖面图。

图2是一个部分剖开的立体图，用于图解说明根据本发明第一实施例的投影式显示设备。

图3是一个三维示意图，用于图解说明根据本发明第一实施例，光学系统在投影式显示设备中的位置。

图4是本发明的第一实施例中的一个棱镜部分的放大剖面图。

图5是本发明第一实施例中的棱镜部分的放大剖面图。

图6是本发明第一实施例的投影式显示设备的侧剖面图。

图7是本发明第一实施例的微透镜板(lenticular plate)的放大透视图。

图8是本发明第一实施例中的微透镜板的放大透视图。

图9是本发明第一实施例中的微透镜板的放大透视图。

图10是本发明第一实施例中的微透镜板的放大透视图。

图11是传统的棱镜部分的放大透视图。

图12是传统的棱镜部分的放大透视图。

图13是传统的投影式显示设备的侧剖面图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的优选实施例。

下面结合图1A、1B和1C到图10描述本发明的第一实施例的投影式显示设备1。

图2是投影式显示设备1的示意透视图，其外部被局部去除，以图解其内部。一个投影单元4被设置在投影式显示设备1的下部。投影单元4将图像光线向上通过一个投影光学系统41投射。一个上反射镜3将图像光线的光路向下弯折。然后，图像光线入射到一个透射式屏幕2上(这里，“屏幕”的意思是包括一个玻璃板、一个具有散射功能的光学部件比如微透镜板、菲涅耳板等的部件)。从投影光学系统41的光瞳5投射中央光线a(对应于像平面的中心的光线)。该中央光线a射到上反射镜3的中央部分并从之反射，成为光线b。光线b入射到屏幕2的中央。类似地，光线m、m’、g、g’分别是对应于像平面的四个角的光线，从光瞳5被投射出来。光线m、m’、g、g’射到上反射镜3的四个角部并从之反射，分别成为光线n、n’、h、h’。光线n、n’、h、h’分别入射到屏幕2的四个角上。

图1A是投影式显示设备1的剖面图，该剖面图沿着一个平面，该平面过中央光线a并垂直于屏幕2。图1B是屏幕2的一部分的剖面图。图1C是屏幕2的菲涅耳板85的放大剖面图。如上所述，中央光线a从上反射镜3反射而成为光线b(这里，上反射镜3是这样一个光学部件：指向屏幕2的光通量在入射到屏幕2之前最后入射到该光学部件上面)。光线b以入射角α0入射到屏幕2的中央。在屏幕2的进光一侧，设置一个棱镜阵列8(它可以是单个棱镜)。光线b入射到棱镜阵列8的一个棱镜PR1的进入面81上并通过该表面，成为光线b。光线b从棱镜PR1的全反射面82反射而成为光线c。光线c存在于大致垂直于屏幕2的方向。类似地，由于设置在屏幕2表面上的棱镜阵列8的作用，光线m和g(对应于像平面的四个角，在图1A中，光线m’和g’与光线m和g重叠)分别成为光线o和i，垂直于屏幕2。然后，光线o和i从屏幕2射出。下面描述棱镜阵列8的作用的细节。参照图1B，屏幕2包括一个具有棱镜阵列8的菲涅耳板85、一个具有散射功能的微透镜板以及一个为保持整个屏幕2的平坦度并保护屏幕不受损伤的玻璃板95。(玻璃板95的在观看者一侧的表面对应于屏幕2的在后面所指的表面。屏幕2的表面不限于在两侧具有平坦表面的玻璃板比如玻璃板95的平坦表面。例如，屏幕2的表面可以是一个光学部件的平坦表面，该光学部件在一侧具有平坦表面而在另一侧具有非平坦的表面。更特别地，在观察者一侧是平坦表面，在相反一侧，也就是投影单元4一侧是棱镜形状的表面或者微透镜形状的表面。)通过微透镜板9的作用，从屏幕2出射的光线，包括光线o和i，向上下左右散射。因此，即使从倾斜的方向，观察者也能观察到明亮的视频图像。

根据本发明第一实施例的投影光学系统41不同于普通光学系统，在普通光学系统中，其中央部分相对于光轴对中。换句话说，屏幕2的中心设置在相对于投影光学系统41的光轴有相当大程度的倾斜的方向上的一个位置。投影光学系统41和屏幕2之间的位置关系将参照图3进行详细描述。图3是一个三维示意图。在图3的图解中，为了简明起见省略了上反射镜3，因此，相对于图1A和图2所示，屏幕2上的像平面倒过来了。

见图3，将屏幕2的中心作为原点，由坐标轴形成x-y-z坐标系统。屏幕2的有效部分的尺寸假设在水平方向为为2x0，在竖直方向为2y0。投影光学系统41的光瞳5的中心Po所在的位置在y轴方向偏移-y1.可以根据从点O’到P的距离和距离z1，从切角得知在像平面上任意点P的入射角α。因此，在以点O’为圆心的圆周上，切角α是恒定的。这样，如果同心地布置在径向具有相同的剖面形状的棱镜，则可以将入射角α和棱镜形状相互关联起来。如果棱镜形状的确定与入射角α的值有关，则可以在整个像平面范围上，将出射光线的方向统一到z轴方向。

这里，作为例子，在本发明的第一实施例中例示了所应用的具体数字值。就屏幕2的尺寸而言，对角线长为60英寸，长宽比为16∶9，也就是2x0＝1328 mm 2y0＝747 mm。就点P0而言，yl＝1110mm，z1＝340 nun。因此，在像平面上的中心O的入射角α0为72.97度。在像平面的底侧的中间点U获得的最小入射角为65.22度，在像平面的顶侧的左右角部A和D的位置处获得的最大入射角为78.19度。这样，这样限定距离y1和z1以满足本发明第一实施例的要求：最小入射角等于或者大于60度(最好是65度)，最大入射角等于或小于85度(最好是80度)。设置前一界限(下限)的原因是为了使全反射棱镜的效能最大化，这将在下面详细描述。设置后一界限(上限)的原因如下。从正切值对于80度左右的角度随角度迅速增加这一点明显可知，即使投射的光线的投射方向有稍微的误差，就会导致很大的位置偏移。因此，投影单元4和屏幕2之间的定位精度要非常高。并且，出于同样的原因，投影光学系统41的各种像差对屏幕2上的图像有非常大的影响。

应当注意，入射角的上述数字值是通过投影光学系统41的光瞳5的中心的代表性光线的值。由于光瞳5在实际中的大小是有限的，通过光瞳5的光通量具有非常轻微的角色散(angular dispersion)，会聚于屏幕2的表面上的一个点。因此，取决于可使用的特性，需要将这样的角色散量考虑在内。

从入射角的数字值可以理解，本发明的第一实施例中的投影光学系统41是一个倾斜投影光学系统，用于将光线投射到一个屏幕的表面上，该屏幕相对于用作参考轴的中央光线有相当大程度的倾斜。这样的倾斜投影光学系统可以按照各种方式配置，可以仅由透镜构成，仅由反射镜构成，或者由透镜(一个或者多个)和反射镜(一个或多个)的组合构成。另外，投影光学系统41可以将来自液晶显示板(反射型或者透射型)或者来自图像显示部件比如DMD(数字微反射镜器件)的光线投影到屏幕2的表面上，或者可以扫描和投射来自光源比如LED(发光元件)的光。另外，可以用另一种传统的投影光学系统作为投影光学系统41.这里，来自图像显示部件的光或者来自光源比如LED的光称为“图像光线”。

如上所述，用于弯折以大入射角入射到屏幕2上的光线的光路的上反射镜3有助于实现非常薄的显示设备。上反射镜3在本发明的第一实施例中是一个平面反射镜，可以被制成具有小的曲率，其焦距大约为整个投影光学系统41的焦距的五十倍。再次参考图1A、1B和1C，在本发明的第一实施例中，上反射镜3和屏幕2表面所成的角γ是82度。(这里，屏幕2的表面是指平行平板形状的玻璃板95的表面，或者与之等效的表面。角度γ是上反射镜3的表面大致在上反射镜3中央的法线与屏幕2的表面的法线之间的角度。在上反射镜具有微小曲率的情况下，“上反射镜3的表面大致在上反射镜3中央的法线”是指上反射镜的表面在这样一点的法线：在该点，通过投影光学系统41的光瞳5的中心并指向投影在屏幕2上的图像的中心的光线被上反射镜3反射。)这样，上反射镜3和屏幕2的表面成的角度γ在根据本发明限定的范围内，也就是，等于或大于(45+(角度α的最小值)/2)＝77.61度，等于或小于(45+(角度α的最大值)/2)＝84.095度。前一个界限是使图1A中的光线m离开屏幕2的条件，后一个界限是防止光线g向后偏离上反射镜3的后边缘的条件。这里，在角度α的最小值等于或大于60度(最好是65度)，角度α的最大值等于或小于85度(最好是80度)的情况下，上反射镜3和屏幕2的表面成的角度γ等于或大于75度(最好是77.5度)、等于或小于87.5度(最好是85度)。

上反射镜3被设置为靠近屏幕2的上侧，从而上反射镜3的后端和屏幕2的表面之间的距离大约为距离z1的一半，也就是180mm。因此，即使将外壳板的厚度考虑在内，整个显示设备1的深度也可以设置在200mm左右。这样，与传统的深度不小于450mm的设备相比，显示设备1可以做得非常薄。至于显示设备1的高度，由于光线被上反射镜3折叠，光线a的长度(从投影光学系统41的光瞳5的中心到上反射镜3的表面的大致中心传播的光线的光路长度)大约为800mm(也就是屏幕2的高度的1.05到1.2倍)。因此，即使将投影单元4的高度和外壳板的厚度考虑进来，显示设备1的总体高度可以在900mm左右，这只比屏幕2的高度2y0＝747mm略大(也就是1.05到1.3倍，最好是1.1到1.25倍)。这样，能够实现尺寸非常小的投影式显示设备。

下面结合图1C描述入射角的范围按照如上所述设置的全反射棱镜的作用。图1C是图1B的一部分的放大图。图1C是沿着一个平面的菲涅耳板85的剖面图，该平面过屏幕2的表面的法线及其竖直方向。除了微透镜板9和玻璃板95之外，屏幕2在其表面上还包括菲涅耳板(棱镜阵列8)。菲涅耳板85的剖面的形状是这样的：多个三角形(或者似三角形的结构)相连。设菲涅耳板85(棱镜PR1)的进入面81与屏幕2的表面成的角度是θs，棱镜PR1的顶角为θt，光线b在屏幕2表面上的入射角为α(进入面81是一个对着所述上反射镜3的表面，上反射镜3是这样一个光学部件：指向屏幕2的光通量在入射到屏幕2之前最后入射到它上面)，则光线b在进入面81上的入射角θi由下式(1)确定：

θi＝α-θs    (1)

在被折射之后从进入面81出射的光线b的出射角θr由下式(2)确定：

sin(θr)＝sin(θi)/n(2)

其中n是棱镜PR1的折射率。因此，光线b在全反射面82上的入射角θz由下式(3)确定：

θz＝θt-θr    (3)

需要这样选择顶角θt的亮度，使得入射角θz等于或者大于临界角(当n＝1.49时为42.16度)。被完全反射的出射光线c的方向垂直于屏幕2的表面的条件由下式(4)确定：

θz＝180°-θt-θs    (4)

用等式(1)、(2)和(3)修正等式(4)，得到下式(5)：

tan(θs)＝(sin(α)±n sin(2θt))/(cos(α)-n cos(2θt))(5)

这样，如果用丙烯酸树脂(n＝1.49)作为棱镜阵列8的材料，在θt＝58度和α＝72.97度的情况下，得到θs＝67.60度，θz＝54.40度。

上述等式可应用于像平面上的任意位置。对于角度α的最小值和最大值，也可以用预定的n＝1.49和θt＝58度计算角度θs和θz。当αmin＝65.22度时，得到θs＝64.49度，θz＝57.51度。当αmax＝78.19度时，得到θs＝69.69度，θz＝52.31度。

因此，将同心棱镜形成为棱镜阵列8，同时从64.49度到69.69度改变角度θs，以根据α＝65.22度到78.19度的变化同时保持角度θt恒定而由等式(5)确定角度θs的特定值，这使得能够使屏幕2的出射光线的方向在像平面的整个范围内垂直于屏幕2的表面。

另外，还满足如下的全反射调节。对于全反射条件，需要将光瞳5的大小导致的上述角色散和进入面81的表面粗糙度导致的光线b的散射考虑在内。在本发明的第一实施例中，光瞳5的大小是直径28mm。角色散变得最大的最小投影距离的位置在像平面的底侧的中间点U，最小投影距离约为811mm。因此，在一侧的角色散约为1度。从试验得知，由于进入面81的表面粗糙度导致的散射角约为4度。将这些值考虑在内，得到入射角θz的最小值为约47.3度，与临界角42.16度相比，该值足够大。

这样，在像平面的整个范围内，来自屏幕2的出射光线的方向被全内反射改变到垂直于屏幕2的表面的方向。因此，可以使光量的损失最小，并且在像平面的整个范围内都均匀，从而在屏幕2上高效率地获得亮度均匀的图像。

如下所述，使所有光线射到全反射面上。图4和图5是屏幕2的棱镜部分的放大视图，光线入射角α分别具有最小值和最大值。当入射角α如图5所示比较大时，一定会发生全反射。另一方面，当入射角α如图4所示较小时，通过邻接棱镜PR2的顶点附近的光线n2射到全反射面的接近齿形底部(tooth bottom)的部分并从之反射。如果从棱镜部分的齿形底部的理想端部到这样的反射位置的高度6成为一个负值，则相应的入射光线将直线前进而不会射到全反射面82上。另外，从制造难度的角度来看，棱镜部分的齿形底部的端部需要具有有限的圆度。因此，高度6需要足够大，以确保所有的入射光线都入射到全反射面82上而不管齿形底部的端部的圆度。另外，每一个棱镜的尺寸与显示的图像的一个象素的大小相比需要足够小。这是因为，如果棱镜的间距大于一个象素，则由于全内反射导致的光线的竖直反转导致象素的排列顺序在每一个棱镜间距处竖直反转。如果棱镜的间距几乎等于一个象素的尺寸，则在棱镜间距和象素间距的两个空间频率之间发生差拍，从而产生莫阿纹。因此，希望棱镜间距等于或者小于一个象素尺寸的一半，也就是相当小。因此，对于每一个棱镜的尺寸，齿形底部的端部的圆度的影响是不可忽视的。另外，与上述全反射条件下的情况一样，需要将光瞳5的大小导致的角色散(约1度)和进入面81的表面粗糙度导致的光线b的散射(约4度)考虑在内。

本发明的第一实施例中的距离的数值如下。显示的图像的象素数在水平方向是1920，在竖直方向为1080。一个象素的大小是约0.7mm。菲涅耳板85的棱镜间距因此被设置到0.2mm。因此，对应于入射角αmin、α0和αmax的高度6的值分别约为0.04、0.09和0.12。换句话说，齿形底部的端部的圆度可以设置为等于或小于0.02mm的值，这个值对于制造来说足够了。

随着入射角α的降低或者随着顶角θt的增加，高度6的量度增加。例如，为了说明方便，如果α＝60度并且θt ＝60度，则得到θs ＝60度。换句话说，棱镜变成正三角形，从而得到δ＝0。因此，为了充分地保障高度6，顶角θt必须比α＝60度的情况下的60度小很多。但是，如果使顶角θt变小，则会出现下面描述的另一个问题。因此，在实践中，需要将入射角的最小值设置在0度或者更大，最好是65度或者更大。

如上所述，根据本发明的第一实施例，可以通过限定入射角的最小值并根据入射角α的最小值限制顶角θt的上限，可以实现所有光线的全内反射。通过这种方案，可以防止由通过屏幕2而不被全反射面全反射的光线导致的杂散光或者光量的损失。

同时，在棱镜PR1的进入面81处，除了投射光线b之外，还产生反射光线d。在棱镜PR1具有1.49的折射率的情况下，反射光线的光量的反射率约为4％。如果反射光线d最终返回屏幕，则可以被看到，成为显著的重影。考虑到防止这样的重影的条件，设置顶角θt的下限。

图6是用于解释顶角θt的下限的设置的剖面图。在图6中，与图1A所示相同的部件用相同的附图标记表示。附图标记2’表示屏幕2在上反射镜3中反射的虚拟图像。箭头d’表示入射光线b在屏幕2上的反射光线入射到屏幕2的虚拟图像2’的上端的方向。如果使图1A所示的真实反射光线d在比图6中的箭头d’更接近右侧的方向前进，也就是在离开屏幕2的方向前进，则反射光线d不可能返回屏幕2。换句话说，将棱镜PR1的顶角设置为这样的值，以防止从棱镜PR1的进入面81反射、然后从上反射镜3(在图像光线的光路上最接近屏幕2的反射镜)反射的光线再次落到屏幕2上。当然，在屏幕表面上的所有点处，该条件都要类似地得到满足。换句话说，需要使反射光线d和屏幕2表面法线21构成的角β(见图1C)小于入射光线b从屏幕2反射的反射光线入射到屏幕2的虚拟图象2’的上端的角度η。

利用前述等式(1)，角度β被表达为下式(6)：

β＝α-2×θi ＝2×θs-α(6)

因此，可以理解，对于角度β，为了满足上述条件，需要使角度θs更小。前述等式(5)隐含着，当顶角θt为60度左右时，如果使顶角θt变大，则角度θs变小。因此，为了使反射光线d的角度β更小，必须使顶角θt变大。这就是设置顶角θt的下限的原因。

对于反射光线d的角度β，还可以将光瞳5的大小导致的角色散(等于或者大于0.1度、等于或者小于2度；更好的是等于或者大于0.5度、等于或者小于1.5度，在第一实施例中约为1度)和进入面81的表面粗糙度导致的光线d的散射(等于或者大于2度、等于或者小于7度；更好的是等于或者大于2.5度、等于或者小于5度，在第一实施例中约为4度)考虑在内。这样，通过光瞳5的代表性光线的反射角β相对于角度η需要具有约5度或者更多的余量。

在第一实施例的情况下进行射线跟踪表明，对于屏幕2上的入射角αmin、α0和αmax，角度β分别是63.76度、62.23度和61.19度。角度η分别是74.4度、79.4度和82.7度。这样，角度β相对于角度η的相应余量是10.64度、17.17度和21.51度，它们是足够大的值。

在此例中，将顶角θt设置为58度。在这种情况下，产生上述余量。从此角度出发，希望顶角θt被设置为等于或大于50度、等于或小于65度的值，最好是等于或大于55度、等于或小于61度的值。如上所述，如果角度β相对于角度η充分小，则即使在被上反射镜3反射之后，反射光线d作为图1A所示的光线d’在离开屏幕2的方向在投影式显示设备1内部前进。因此，如果对投影式显示设备1的壳体的内表面进行减反射处理，则可以轻易完美地消除反射光线d对像平面的影响，从而可以显示清晰的视频图像，没有重影。

在第一实施例中，使顶角θt在屏幕2的整个表面上恒定可以实现如下所述的优点。在制造棱镜阵列时，通常使用将衬底材料热压到模具上从而将模具的形状转移到衬底材料上的方法，将紫外光硬化树脂滴入模具中，形成紧贴模具的透明衬底材料，然后用紫外光硬化所述材料的方法，或者类似方法。在无论哪种情况下，使用模具都有助于改进批量生产能力。模具是用昂贵的金刚石切削刀具进行雕刻而制造的，以形成光学性能优良的棱镜表面。金刚石切削刀具的顶角被直接用来形成棱镜的顶角θt。因此，如果要形成不同的顶角，则需要使用与各顶角θt相应的多种金刚石切削刀具。另外，即使所需的金刚石切削刀具的种类可以减至二三种，仍会在改变金刚石切削刀具的点出现接头。为了使这种接头难以觉察，需要非常高的精度的定位。另一方面，如果象在本发明的第一实施例中一样在整个像平面上使顶角θt恒定，则只需要在改变金刚石切削刀具的姿态的同时在衬底材料上雕刻顶角θt，以改变角度θs，而不需要改变金刚石切削刀具。因此，只需要一个金刚石切削刀具，而不会出现接头。这样，就可以实现均匀的、高质量的、低成本的棱镜阵列。

下面参照图1A、1B和1C和图7到图10来描述微透镜板9。被棱镜阵列8在垂直于屏幕2表面的方向弯折的光线c是受光瞳5的大小导致的角色散(约1度)、进入面81的表面粗糙度产生的散射(约4度)以及全反射面82的散射(类似地，约4度)的影响的散射光线。散射光线c的散射角总计约为9度。在这种条件下，当从正面直接观察时，显示在屏幕2上的图像非常亮。但是，当从上下左右稍微倾斜地观察时，显示在屏幕2上的图像就变得非常暗。实践中，希望屏幕2的视场角在水平方向在一侧不小于60度，在竖直方向在一侧不小于30度。为此，在屏幕2中设置具有散射功能的微透镜板9。图7到图10的示意图图解了用在本发明第一实施例中的微透镜板9。具体的，图7和图8是微透镜板9的一部分分别从光进入一侧和观察者一侧看的放大图。图9和图10分别是微透镜板9的垂直和水平剖面图。在微透镜板9的光进入一侧，设置由大量在竖直方向延伸的半圆柱体构成的微透镜91。在微透镜板9的观察者一侧，设置一个条形膜，该条形膜由吸光材料制成，具有与各半圆柱体相对设置的隙缝部分。另外，在微透镜板9的材料中，混合了大量由高折射率材料制成的珠子，它们不均匀地分布在接近观察者的一侧。

由具有全反射棱镜的菲涅耳板85使得在垂直于屏幕2的方向前进的光线被珠子93相对于竖直方向散射，如图9中的箭头所示。对于水平方向，光线被微透镜板9收集并在设置在微透镜板9的观察者一侧的板表面上的条形膜92的隙缝部分被散射，如图10所示。在此例中，光线也受到珠子93的作用。因此，相对于水平方向的散射角大于相对于竖直方向的散射角。这样，在竖直方向和水平方向的散射角分别约为30度和60度。由于珠子93不均匀地分布在观察者一侧，并且其分布方式不损害微透镜的集光作用，条形膜92的隙缝部分可以做得相当窄。条形膜92具有吸收来自观察者一侧的外部光线的功能，有助于在亮环境下保持图像的高对比度。由于条形膜92的隙缝部分如上所述变窄，可以获得非常高的对比度。

如上所述，在微透镜板9中，由于相对于竖直方向和水平方向设置了不同的观察角度，亮度与水平方向的宽视角兼容，并且能够获得高的对比度。但是，应当注意，微透镜板9不限于上述的结构。例如，可以不在微透镜板9中混合珠子93，可以将条形膜92的隙缝部分的表面粗糙化以散射光线，可以将一个光散射层粘合到微透镜板9或者菲涅耳板85上，或者可以用简单的光散射板取代微透镜板9。

应当注意，本发明第一实施例中的上述具体数值不是限制性的，在不脱离本发明的实质的前提下可以改变。例如，屏幕尺寸和长宽比可以自由确定，距离z1和y1可以确定为使得入射角在60度到85度(含)的范围内。另外，每一个棱镜的顶角θt不限于58度，而可以设置为小于58度的值，以确保反射光线不返回屏幕2。

(第二实施例)

下面描述本发明的第二实施例。在第一实施例的情况下，使得顶角θt在整个像平面的范围内恒定，以便可以只使用一个金刚石切削刀具来制造模具。但是，可以用具有不同顶角θt的几个切削刀具来制造模具。在这种情况下，尽管难以切削模具而使得接头不明显，但是，当入射角α大时使顶角θt大，当入射角α小时使顶角θt小。通过这样做，来自进入面的反射光线的反射角β的余量(margin)和与每一个棱镜的齿形顶部和齿形底部的圆度有关的余量都可以做大。

在第一实施例的情况下，来自棱镜PR1的进入面81的反射光线d的角度β被设置为具有一个相对于角度η的余量，包括进入面81的表面粗糙度导致的散射角。但是，如果通过有意地将进入面81粗糙化而使散射角充分地变大，则不需要将整个散射角作为余量。实际上，只要存在这样的余量使得反射光线d的返回屏幕2的一部分能量只是百分之几或者更少，则反射光线d在亮度方面变得充分小，不会被作为重影而觉察到。这意味着基本上实现本发明的优点。

通过喷砂、化学处理或者类似手段使模具的表面粗糙，可以非常容易地进行上述对进入面81粗糙化的操作。粗糙化是对放大视角的微透镜板9的部分功能进行补充的有效手段。另外，可以使全反射面82或者微透镜板的观察侧表面粗糙化。如果通过这样的手段获得充分的散射，则不需要在微透镜板9中混合所述珠子93，因此可以降低屏幕2的制造成本。

根据上述实施例，能够实现一种薄形状的投影式显示设备，其具有与屏幕的高度相比比较低的总体高度，并能够显示高质量的图像而不产生任何重影。另外，还能低成本地实现一种投影式显示设备，其能够高效率地在整个像平面范围内获得均匀的亮度，并能够显示清晰的、高质量的图像，没有重影或者杂散光。

上面具体参照特定的优选实施例详细描述了本发明。但是应当理解，在上面所描述的、在所附权利要求中限定的本发明的范围内，本领域的普通技术人员可以作出各种变化和修改而不脱离本发明的范围。

Claims (4)

1.一种投影式显示设备，包括：

具有多个弧形弯曲的棱镜的屏幕，所述多个棱镜的剖面形状是三角形；和

用于将图像光线引导到该屏幕上的投影光学系统，该投影光学系统包括多个光学部件，

其中，在所述多个光学部件中，设置在图像光线的光路上最接近屏幕的地方的光学部件是平面反射镜，

其中，θt在50度和58度之间，三角形对着所述平面反射镜的顶角是θt，并且，

其中，该平面反射镜的表面与屏幕的出射表面之间的角度在75度到87.5度之间，包括端值。

2.一种投影式显示设备，包括：

具有多个弧形弯曲的棱镜的屏幕，所述多个棱镜的剖面形状是三角形；和

用于将图像光线引导到该屏幕上的投影光学系统，该投影光学系统包括多个光学部件，

其中，在所述多个光学部件中，设置在图像光线的光路上最接近屏幕的地方的光学部件是反射镜，

其中，三角形的顶角θt对着所述反射镜，θt在50度和58度之间，

其中，通过投影光学系统的光瞳中心之后落到屏幕上的图像光线的光路和屏幕表面法线之间的角度α在60度和85度之间，包含端值，并且，

其中，该反射镜的表面的在该反射镜中心的法线与屏幕的表面法线之间的角度在(45+角度α的最小值/2)度和(45+角度α的最大值/2)度之间，包括端值。

3.如权利要求2所述的投影式显示设备，其中，通过投影光学系统的光瞳中心之后落到屏幕上的图像光线的光路和屏幕表面法线之间的角度α大于等于65度。

4.如权利要求2所述的投影式显示设备，其中，通过投影光学系统的光瞳中心之后落到屏幕上的图像光线的光路和屏幕表面法线之间的角度α小于等于80度。

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