CN1287162C - 菲涅耳透镜片和包含它的透射型屏幕 - Google Patents

菲涅耳透镜片和包含它的透射型屏幕 Download PDF

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Abstract

提供了可有效地消除起因于杂散光的双像(叠影)等的障碍而显示出良好影像、易制造的菲涅耳透镜片。菲涅耳透镜片(1)包括：片状基部(1a)；在基部(1a)中投射影像光(10)的光源侧的面(4)上形成、具有大致呈三角形剖面的多个第1棱镜(23)；以及在基部(1a)中射出影像光(10)的观察侧的面(5)上形成、具有大致呈三角形剖面的多个第2棱镜(26)。各第2棱镜(26)具有对基部(1a)的板面以较小角度倾斜的棱镜面(27)和对该板面大致垂直上升的上升面(28)，通过控制入射到各第1棱镜(23)的第1面(24)并被该第1面(24)折射的光中未被第2面(25)全反射而射向观察侧的面(5)的成为杂散光的光(101)在观察侧的面上的反射角，使观察侧影像在离开可视范围的范围内成为杂散光的光(101A、101B)。

Description

菲涅耳透镜片和包含它的透射型屏幕
技术领域
本发明涉及背投型电视机的显示部中所使用的透射型屏幕，特别是涉及适合于使从光源(背面)一侧倾斜地投射的影像光射出到观察侧而进行显示的菲涅耳透镜片和包含它的透射型屏幕。
背景技术
在背投型电视机中，为了投射(放大投影)从光源射出的影像光，透射型屏幕被配置在该显示部上。另外，作为这样的透射型屏幕，一般来说，使从光源投射的影像光折射并作为大致的平行光射出到观察侧的菲涅耳透镜要素，以及使影像光散射而向宽广范围的观察者射出影像光的双凸透镜等的漫射要素可以被组合起来使用。
可是，作为这样的背投型电视机，除了可使用包括使三原色的光从各自的CRT投射的CRT方式的光源以外，还可使用包括应用了LCD(液晶显示器件)及DLP(数字光处理)的单透镜方式的光源。
其中，在包括CRT方式的光源的背投型电视机中，通常采用从透射型屏幕的光源侧对透射型屏幕的中央部大致垂直地投射影像光的方式。另外，在包括单透镜方式的光源的背投型电视机中，以往也采用从透射型屏幕的光源侧对透射型屏幕的中央部大致垂直地投射影像光的方式。即，如图9所示，利用反射镜13反射从光源12射出的影像光10，对透射型屏幕3的中央部大致垂直地投射影像光10。
然而，采用这样的方式，在包括单透镜方式的光源的背投型电视机中，也必须有与包括现有的CRT方式的光源的背投型电视机大致相同的进深，如图9所示，存在无法使机壳14’薄型化的问题。
在这样的状况下，作为背投型电视机之一，提出了通过将从光源射出的影像光从透射型屏幕的光源侧倾斜地投射，与现有的背投型电视机相比可实现大幅度的薄型化而不至损及影像的显示品位的背投型电视机。
在这样的背投型电视机中，作为使倾斜地投射到透射型屏幕上的影像光聚光的光学装置，在光源侧的面上设置剖面为三角形的棱镜组(全反射菲涅耳透镜)，使所投射的影像光被各棱镜的第1面折射后再被第2面全反射，从观察侧的面射出。
这里，在包括了这样的全反射菲涅耳透镜的菲涅耳透镜片中，由于从光源投射的影像光倾斜地投射到菲涅耳透镜片上，所以影像光以不同的入射角从菲涅耳透镜片的下端向上端入射。
具体地说，如图7(a)所示，在菲涅耳透镜片15中，在影像光10的入射角(影像光10对菲涅耳透镜片15的板面的法线的角度)θ1增大的远离光源一侧的部分(在以各棱镜离开了板面的菲涅耳中心为基准呈同心圆状延伸的情况下，远离该菲涅耳中心一侧的部分)，影像光10仅从各棱镜43的顶点41附近入射到第1面44上。因此，从各棱镜43的第1面44入射的影像光10的全部被第2面45全反射，该影像光10的全部作为有效光10A从观察侧的面48射出。
然而，如图7(b)所示，在菲涅耳透镜片15中，在影像光10的入射角θ1减小的接近光源一侧的部分(在以各棱镜离开了板面的菲涅耳中心为基准呈同心圆状延伸的情况下，接近该菲涅耳中心一侧的部分)，影像光10在从各棱镜43的顶点41到底部42的宽广范围内入射到第1面44上。因此，在影像光10之中从各棱镜43的顶点41附近入射到第1面44的光被第1面折射后再被第2面45全反射，作为有效光10A从观察侧的面48射出，但在影像光10之中从各棱镜43的底部42附近入射到第1面44的光被第1面44折射后未被第2面45全反射而逃逸，成为杂散光10B。
这里，如图8所示，如此产生的杂散光10B被观察侧的面48全反射后，一边对光源侧的多个第1棱镜43重覆进行光的入射和出射，一边通过，最终从观察侧的面48射出。这里，如图8所示，如此从观察侧的面48射出的杂散光10B由于与从观察侧的面48射出的有效光10A的方向大致相同的方向射出，所以引起了双像(叠影)等的障碍。
因此，在以往，作为改善起因于这样的杂散光的双像(叠影)等的障碍的方法，提出了如下所述的各种方法。
具体地说，首先，提出了将光漫射层埋入菲涅耳透镜的棱镜的谷部分的方法(参照特开昭62-113131号公报)。然而，由于用该方法在形成了菲涅耳透镜的后工序中必须形成光漫射层，所以存在制造变得麻烦、并且控制光漫射量也困难之类的问题。
另外，提出了在菲涅耳透镜的棱镜的一部分中形成光吸收层的方法(参照特开昭63-32528号公报、特开昭63-37336号公报和特开平5-72634号公报)。然而，用该方法却由于不是在棱镜的整个区域而是仅在部分区域形成光吸收层，所以存在形成光吸收层困难之类的问题。
此外，提出了在菲涅耳透镜的观察侧的面之中影像光的非透射部分中形成光吸收层的方法(参照特开昭63-30835号公报、特开昭63-37337号公报、特开昭63-139331号公报和特开平5-72634号公报)。然而，用该方法却由于必须与光源侧形成的棱镜的位置一致地对准在观察侧形成的光吸收层的位置，所以存在形成光吸收层困难之类的问题。
此外，提出了在菲涅耳透镜的棱镜之中使影像光所入射的入射面的形状弯曲的方法(参照特开昭61-254941号公报)。然而，用该方法存在按照菲涅耳透镜的位置使棱镜的入射面的弯曲形状的曲率改变成为制造上的困难并难以实现均匀的图像显示之类的问题。
此外，提出了在菲涅耳透镜的棱镜的观察侧追加形成覆盖该观察侧的整个区域这样的光漫射层的方法。然而，用该方法却存在不仅有杂散光而且使影像光漫射并使影像色泽逐渐变化之类的问题。
发明内容
本发明是考虑了这样的方面而进行的，其目的在于，提供：包括适合于使从光源侧倾斜投射的影像光向观察侧射出以进行显示的全反射菲涅耳透镜的菲涅耳透镜片；可有效地消除起因于杂散光的双像(叠影)等的障碍而显示出良好的影像的、制造容易的菲涅耳透镜片及包括它的透射型屏幕。
本发明提供了一种菲涅耳透镜片，作为第1解决装置，它是被用于使从光源侧倾斜投射的影像光向观察侧射出以进行显示的透射型屏幕的菲涅耳透镜片，其特征在于，包括：
片状的基部；
多个第1棱镜，它是在上述基部之中投射影像光的光源侧的面上形成的、具有大致呈三角形剖面的多个第1棱镜，具有该各第1棱镜使所投射的影像光入射、同时使该入射了的光折射的第1面和入射到该第1面并被该第1面折射的光的至少一部分向观察侧全反射的第2面；以及
多个第2棱镜，它是在上述基部之中射出影像光的观察侧的面上形成的、具有大致呈三角形剖面的多个第2棱镜，控制在入射到上述各第1棱镜的上述第1面并被上述第1面折射的光之中未被上述第2面全反射而成为射向上述观察侧的面的杂散光的光在上述观察侧的面上的反射角，在上述观察侧的离开影像的可视范围的范围内使成为上述杂散光的光射出。
再有，在上述第1解决装置中，上述各第2棱镜具有对上述基部的延伸面以较小的角度倾斜的棱镜面和大致垂直于上述基部的上述延伸面而上升的上升面，上述棱镜面最好被放置成：成为上述杂散光的光之中被该棱镜面反射后经上述各第1棱镜再次返回到上述观察侧的面的光以大大偏离上述基部的延伸面的法线的角度从上述观察侧的面射出，上述上升面最好被放置成：成为上述杂散光的光之中被该上升面反射后的光以大大偏离上述基部的延伸面的法线的角度从上述观察侧的面射出。
另外，在上述第1解决装置中，上述观察侧的面之中最好仅在上述各第2棱镜的上述上升面上形成光吸收部或光漫射部。
此外，在上述第1解决装置中，成为上述杂散光的光最好对上述基部的延伸面的法线以60度以上的角度从上述观察侧的面射出。
此外，在上述第1解决装置中，上述多个第2棱镜也可仅在上述观察侧的面之中成为上述杂散光的光所产生的区域形成，还可在上述观察侧的面的整个区域内形成。
此外，在上述第1解决装置中，上述多个第2棱镜的棱镜角可以相同，而与上述观察侧的面中的位置无关，还可随上述观察侧的面中的位置而异。
此外，在上述第1解决装置中，上述多个第1棱镜最好以位于离开上述基部的延伸面的部位的中心为基准在上述光源侧的面上形成为同心圆状。
此外，在上述第1解决装置中，上述多个第2棱镜能以位于与上述多个第1棱镜的上述同心圆的中心同一高度的中心为基准在上述观察侧的面上形成为同心圆状。再有，上述多个第2棱镜也可在上述观察侧的面上形成为直线状，还能以位于上述基部的延伸面的中心为基准在上述观察侧的面上形成为同心圆状。
此外，在上述第1解决装置中，入射到上述基部之中射出影像光的最接近于光源的边的中央部的影像光的入射角最好为30～45度，入射到最远边的角部的影像光的入射角最好为70～80度。
此外，在上述第1解决装置中，上述多个第1棱镜最好被构成为：通过上述基部的上述影像光从上述基部的延伸面的法线方向看向射出上述影像光的光源一侧倾斜，上述多个第2棱镜最好被构成为：通过了上述基部的上述影像光从上述基部的延伸面的法线方向看向与射出上述影像光的光源相反的一侧倾斜，
本发明作为第2解决装置，提供了一种透射型屏幕，其特征在于，包括：作为上述第1解决装置的菲涅耳透镜片和配置在上述菲涅耳透镜片的观察侧的光漫射片。
按照本发明的第1和第2解决装置，由于在被用于使从光源侧倾斜投射的影像光向观察侧射出以进行显示的透射型屏幕的菲涅耳透镜片中，在基部之中投射影像光的光源侧的面上，形成了具有大致呈三角形的剖面的多个第1棱镜，同时在基部之中射出影像光的观察侧的面上，形成了具有大致呈三角形的剖面的多个第2棱镜，控制从各第1棱镜的第1面入射并被该第1面折射的光之中未被第2面全反射而成为射向观察侧的面的杂散光的光的在观察侧的面上的反射角，在观察侧的离开影像的可视范围的范围内，使成为杂散光的光射出，所以可有效地消除起因于杂散光的双像(叠影)等的障碍而显示出良好的影像。
附图说明
图1是示出本发明的一种实施形态的菲涅耳透镜片的主要部分的图。
图2是用于说明本发明的一种实施形态的菲涅耳透镜片的作用的光线追踪图。
图3A、3B和3C是示出本发明的一种实施形态的菲涅耳透镜片的整体结构的斜视图。
图4是示出包括了本发明的一种实施形态的菲涅耳透镜片的透射型屏幕的一例的斜视图。
图5是示出组装包括了本发明的一种实施形态的菲涅耳透镜片的透射型屏幕的背投型电视机的一例的图。
图6是用于说明在设计菲涅耳透镜片时应考虑的光学设计条件的图。
图7是用于说明现有的菲涅耳透镜片的图。
图8是用于说明现有的菲涅耳透镜片中产生双像(叠影)的状态的光线追踪图。
图9是示出现有的背投型电视机的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施形态。
首先，按照图4说明包括了本发明的一种实施形态的菲涅耳透镜片的透射型屏幕。
如图4所示，透射型屏幕3是使从光源侧倾斜投射的影像光10向观察侧射出以进行显示的屏幕，如图4所示，具有使从光源12投射的影像光10折射和反射并作为大致的平行光向观察侧射出的菲涅耳透镜片1和配置在菲涅耳透镜片1的观察侧的、使影像光散射并向宽广范围的观察者射出影像光的双凸透镜片(光漫射片)2。
其中，菲涅耳透镜片1具有片状的基部1a，在该基部1a之中投射影像光10的光源侧的面4上形成了具有大致呈三角形剖面的多个第1棱镜23。
这里，多个第1棱镜23是构成全反射型的菲涅耳透镜的棱镜，以位于离开基部1a的板面(延伸面)的部位(参照符号94)的菲涅耳中心(同心圆的中心)为基准在光源侧的面上形成为同心圆状。
再有，如图4所示，从光源12倾斜投射到菲涅耳透镜片1的影像光10以随基部1a的光源侧的面4上的位置而异的入射角入射到各棱镜23。再有，对影像光10的入射角而言，入射到最接近于基部1a的菲涅耳中心(最接近于射出影像光10的光源12)的边的中央部(参照符号95)的影像光10的入射角最好为30～45度，入射到最远边的角部(参照符号96)的影像光10的入射角最好为70～80度。再有，由于在接近菲涅耳中心的一侧的入射角与远离菲涅耳中心的一侧的入射角之差比上述接近菲涅耳中心一侧的理想入射角(30～45度)与上述远离菲涅耳中心一侧的理想入射角(70～80度)之差小的情况下，不论是否对透射型屏幕3倾斜透射影像光10，透射型屏幕3与光源12之间的距离都加长，无法实现组装了透射型屏幕3的背投型电视机的薄型化，因而并不理想。反之，由于在接近菲涅耳中心的一侧的入射角与远离菲涅耳中心的一侧的入射角之差比上述接近菲涅耳中心一侧的理想入射角(30～45度)与上述远离菲涅耳中心一侧的理想入射角(70～80度)之差大的情况下，作为光源的投射透镜及梯形变形的校正电路一定是价格较高的部件，因而并不理想。
再有，图4所示的菲涅耳透镜片1可组装到图5所示的背投型电视机11中使用。
如图5所示，背投型电视机11具有透射型屏幕3、向透射型屏幕3射出影像光10用的光源12、以及反射从光源12射出的影像光10并投射到透射型屏幕3的光源侧的反射镜13。再有，光源12具有LCD及DLP之类的影像源12c、对影像源12c进行照明的灯12a、以及对经影像源12c射出的影像光10进行放大投射用的投射透镜12b、12d等。
这里，透射型屏幕3、光源12和反射镜13按图5所示的位置关系被容纳在机壳14内。即，透射型屏幕3被配置在设置于机壳14的观察侧的正面上部的刨空窗部的、光源12被配置在机壳14的内侧下部。另外，反射镜13在机壳14的内侧上部被配置成与透射型屏幕3大致平行，以便从光源12射出的影像光10被反射镜13反射，投射到透射型屏幕3的光源侧。再有，在这样的背投型电视机11中，在从光源12射出的影像光10被反射镜13折回的基础上，被倾斜投射到透射型屏幕3上，经过作为显示部的透射型屏幕3，向观察侧显示良好的图像。
这里，在这样的背投型电视机11中，由于在从光源12射出的影像光10被反射镜13折回的基础上，被投射到透射型屏幕3上，所以与图9所示的现有的背投型电视机相比，可实现机壳14的大幅度的薄型化。
接着，按照图1说明被用于图4和图5所示的透射型屏幕3的菲涅耳透镜片1的结构的细节。
如图1所示，菲涅耳透镜片1包括：片状的基部1a；在基部1a之中投射影像光10的光源侧的面4上形成的、具有大致呈三角形剖面的多个第1棱镜23；以及在基部1a之中射出影像光10的观察侧的面5上形成的、具有大致呈三角形剖面的多个第2棱镜26。
如上所述，其中，在基部1a的光源侧的面4上形成的多个第1棱镜23构成全反射型的菲涅耳透镜，各第1棱镜23具有使所投射的影像光10入射、同时使该入射了的光折射的第1面24和使入射到该第1面24并被该第1面24折射的光的至少一部分向观察侧全反射的第2面25，使倾斜投射的影像光10的至少一部分折射和全反射，可作为有效光10A向观察侧的面5射出。
首先，按照图6说明这样的各第1棱镜23的光学设计条件。这里，为了易于理解，以菲涅耳透镜片1的观察侧的面5为平坦面进行说明。再有，在图6中，为了更加明了各第1棱镜23的各部分的几何学的关系，为了表示各第1棱镜23的各部分而使用了英文符号。
如图6所示，各第1棱镜23的棱镜角φ在假设影像光的入射角为θ1、菲涅耳透镜片1的材料的折射率为n、被各第1棱镜23的第2面AB全反射后的影像光10与基部1a的板面的法线的夹角为θ4、各第1棱镜23的前端角度为δ的情况下，用下式(1)表示。
tan φ = n sin ( δ + θ 4 ) + sin ( δ + θ 1 ) n cos ( δ + θ 4 ) - cos ( δ + θ 1 ) - - - ( 1 )
另外，在菲涅耳透镜片1内影像光10行进的角度θ4与从菲涅耳透镜片1的观察侧的面5射出的影像光10的射出角度θ5之间，下式(2)成立。
            sinθ4＝sinθ5/n     …(2)
式中，如设各第1棱镜23的第1面BC与基部1a的板面的法线的夹角为γ，则γ最好为式(3)。
             γ＝φ+δ-π/2≥0    …(3)
这是因为在各第1棱镜23的第1面BC的角度γ为负时，各第1棱镜23的第1面BC的形状为倒锥形，用于使各第1棱镜23成形的成形模具的制作及用成形模具使各第1棱镜23成形变得困难的缘故。因此，在设计上γ＜0的区域，通过使各第1棱镜23的第1面BC垂直、使各第1棱镜23的前端角度δ改变来决定各第1棱镜23的棱镜角φ。再有，这时的棱镜角φ用下式(4)表示。
φ＝{sin-1(cosθ1/n)+θ4+π/2}/2       …(4)
在这样的菲涅耳透镜片1，在影像光10的入射角θ1减小的接近于光源12一侧的部分(接近于菲涅耳中心一侧的部分)，入射到各第1棱镜23的第1面BC的影像光10的一部分未被第2面AB全反射而逃逸，成为杂散光。
这里，为了说明各第1棱镜23中的杂散光的发生状态，现考察从第1棱镜23的第1面BC入射并向第1棱镜23的谷部A折射的影像光10(即，通过在一个第1棱镜23内影像光10成为杂散光的部分与成为有效光的部分的边界的位置的影像光)。这里，假定邻接的第1棱镜23的棱镜角φ大致相等。
如假设对各第1棱镜23的第1面BC的影像光10的入射角为θ2、在各第1棱镜23的第1面BC处的折射角为θ3、第1棱镜23的棱镜间距(透镜间距)为p、被各第1棱镜23的第2面AB全反射而被恰当地用作有效光的部分BK的宽度为e1、未被各第1棱镜23的第2面AB全反射而逃逸成为杂散光的部分KD的宽度为e2、各第1棱镜23的高度BH为h、各第1棱镜23的第1面BC之中影像光10成为杂散光的部分与成为有效光的部分的边界的高度FG为s，则影像光10成为有效光的部分的宽度e1用下式(5)表示。
e1＝(h-s)×(tanγ+tanθ1)
  ＝(h-s)×(tan(φ+δ-π/2)+tanθ1)
                                   …(5)
这里，在上式(5)中，h和s可分别用下式(6)、(7)表示。
h＝p×tan(φ+δ)×ta nφ/(tan(φ+δ)-tanφ)
                                          …(6)
s＝-p×tan(φ+δ)/(1+tan(φ+δ)×tan(φ+δ+
θ3))                                     …(7)
再有，
θ3＝sin-1{sin(θ1+φ+δ)/n }             …(8)
从图6可知，在棱镜间距p与影像光10成为有效光的部分的宽度e1之间有p＝e1+e2的关系，显然e1≤p。另外，影像光10成为有效光的部分的宽度e1与棱镜间距p之比e1/p当影像光10的入射角θ1越大时就越大，在某个部位，e1＝p。这时，与e1＝p的部位相比在影像光10的入射角θ1大的区域，入射到各第1棱镜23的第1面BC的影像光10被第2面AB完全全反射，因而不存在杂散光。
这里，根据上述的计算式，在影像光10从菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5垂直地射出(射出角度θ5＝0)时，影像光10成为杂散光的部分与成为有效光的部分的边界的位置(e1＝p)处的δ与θ1和φ的关系在表1中示出。再有，在表1中示出了菲涅耳透镜片1的材料的折射率n为1.49、1.55和1.59时的3种计算结果。
                                       表1
  δ[°]   n＝1.49   n＝1.55   n＝1.59
  θ1[°]   φ[°]   θ1[°]   φ[°]   θ1[°]   φ[°]
  35   44.03   60.71   43.85   60.08   43.75   59.67
  36   44.69   60.74   44.49   60.15   44.37   59.77
  37   45.35   60.76   45.13   60.21   45.00   59.86
  38   46.01   60.77   45.81   60.25   45.64   59.93
  39   46.68   60.77   46.45   60.33   46.29   59.99
  40   47.34   60.77   47.10   60.35   46.94   60.04
  41   47.37   60.77   47.75   60.36   47.59   60.08
  42   48.64   60.75   48.42   60.36   48.25   60.12
  43   49.30   60.73   49.07   60.37   48.91   60.14
  44   49.96   60.70   49.73   60.37   49.57   60.16
  45   50.62   60.66   50.40   60.36   50.24   60.17
同样，根据上述计算式，在使影像光10的入射角θ1固定而改变菲涅耳透镜片1内影像光10行进的角度θ4时，φ与e2/p(影像光10成为杂散光的部分之比)的关系在表2中示出。再有，在表2中在与后述实施例1～3同样的条件(折射率n＝1.55，各第1棱镜23的前端角度δ＝40度)下进行了计算。从表2可知，从各第1棱镜23的第1面BC入射的影像光10被第2面AB全反射后，通过向菲涅耳中心一侧行进，可减少影像光10成为杂散光的部分的范围。
                                       表2
  θ1[°]   θ4＝0°   θ4＝5°   θ4＝10°
  φ[°]   e1/p   φ[°]   e1/p   φ[°]   e2/p
  30   66.4   0.44   69.7   0.39   72.9   0.35
35 64.7 0.34 67.9 0.29 71.1 0.24
  40   62.9   0.22   66.1   0.16   69.3   0.11
  45   61.1   0.07   64.3   0.01   67.4   0
如果返回到图1继续说明，则在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成多个第2棱镜26。各第2棱镜26具有对基部1a的板面(延伸面)以较小的角度倾斜的棱镜面27和对基部1a的板面大致垂直地上升的上升面28，控制入射到各第1棱镜23的第1面24并被该第1面折射的光之中未被第2面25全反射而射向观察侧的面5的成为杂散光的光101在观察侧的面上的反射角，使观察侧的影像在离开可视范围的范围内成为杂散光的光101(101A、101B)射出。
再有，如图3A所示，在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成的多个第2棱镜26以位于与在光源侧的面4上形成多个第1棱镜23的菲涅耳中心同一高度的中心为基准在观察侧的面5上形成为同心圆状。
这里，在组装有图1所示的包括菲涅耳透镜片1的透射型屏幕3的背投型电视机中，由于从光源12射出的影像光10有效地向观察侧射出，所以限制了可从透射型屏幕3的观察侧最佳地观察影像的视野范围。具体地说，对于水平方向，限制在±40～60度左右，对于垂直方向，限制在±5～20度左右。因此，如果使成为杂散光的光101对基部1a的板面的法线以60度以上，最好以70度以上的角度射出，则即使在多个第2棱镜26具有图3A所示的同心圆状的形状的情况下，成为杂散光的光101对水平方向和垂直方向都完全离开影像的可视范围，可有效地防止由杂散光产生的双像(叠影)被观察者观察到，可大幅度改善背投型电视机中的影像的显示品位。
接着，根据图1和图2说明菲涅耳透镜片1的作用。再有，图2是用于说明图1所示的菲涅耳透镜片1中的杂散光101的光路图。再有，在图2中，示出了在观察侧的面5上形成第2棱镜26时的杂散光101的光路(参照图2的实线)和在观察侧的面5中未形成第2棱镜时(观察侧的面5是平坦面时)的杂散光101(图中，也以符号102表记)的光路(参照图2的虚线)。
如图1所示，在菲涅耳透镜片1中，入射到各第1棱镜23的第1面24的影像光10被第1面24折射，其一部分被第2面25全反射后，沿着与菲涅耳透镜片1大致垂直的方向向观察侧行进，经各第2棱镜26的棱镜面27作为有效光10A向观察侧射出。另一方面，被各第1棱镜23的第1面24折射的影像光10的剩余部分未被第2面25全反射而逃逸，成为杂散光101。
其中，如图2所示，从各第1棱镜23的第1面24入射的影像光10所产生的杂散光101被在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成的第2棱镜26的棱镜面27全反射，向光源侧的面4上形成的第1棱镜23的方向行进。这样的杂散光101的行进方向与未形成第2棱镜26时的杂散光的行进方向相比，以对基部1a的板面的法线形成一个为棱镜面27的棱镜角ω的2倍角度的很大倾角，而以对基部1a的板面接近于平行的角度向光源侧的面4行进。
这里，在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上未形成第2棱镜26时，从各第1棱镜23的第1面24入射的影像光10所产生的杂散光101被作为观察侧的面5的平坦面48全反射成杂散光102后，从位于该光路上的第1棱镜23的第2面25射出到菲涅耳透镜片1的外部，然后入射到与之邻接的第1棱镜23的第1面24上。这时，由于从第1棱镜23的第2面25的法线111看，杂散光102从观察侧入射到该第2面25上，所以从第2面25射出的光在邻接的第1棱镜23的前端被弯曲，从邻接的第1棱镜23的第1面24的中部再入射。
再有，由于第1棱镜23的剖面形成三角形，所以从邻接的第1棱镜23的第1面24再入射的杂散光102必然向观察侧弯曲，数次通过多个第1棱镜23后再返回到观察侧的面5。这时，如图2所示，杂散光102从最初的第1棱镜23的底部射出后依次遵循邻接的第1棱镜23的中部、下一第1棱镜23的前端部、下一第1棱镜23的中部、以及下一第1棱镜23的底部这样的路径。即，用圆来近似被作为观察侧的面5的平坦面48全反射的杂散光102的光路时的曲率半径较小，因此，这样的杂散光102来到最后的第1棱镜23的底部附近时，对第1棱镜23的第2面25以临界角(约42度)以上的角度入射，被该第2面25全反射。这样一来，被最后的第1棱镜23的第2面25全反射的杂散光102从作为观察侧的面5的平坦面48以接近于有效光10A(参照图1)的角度向观察侧射出。
与此相对照，由于在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成第2棱镜26时，从各第1棱镜23的第1面24入射的影像光10所产生的杂散光101与杂散光102相比，以接近平行于基部1a的板面的角度向光源侧的面4行进，所以以接近于第1棱镜23的第2面25的法线111的角度(或从法线111看时从光源侧)入射到该第2面25上。因此，从第2面25射出的光从邻接的第1棱镜23的底部附近再入射。
再有，由于第1棱镜23的剖面形成三角形，所以从邻接的第1棱镜23的第1面24再入射的杂散光102必然向观察侧弯曲，数次通过多个第1棱镜23后再返回到观察侧的面5上。这时，如图2所示，杂散光102从最初的第1棱镜23的底部射出后通过邻接的第1棱镜23的底部，而不通过其中部和前端部。即，用圆来近似被在观察侧的面5上形成的第2棱镜26的棱镜面27全反射的杂散光102的光路时的曲率半径较大，因此，这样的杂散光102来到最后的第1棱镜23的底部附近时，不被该第1棱镜23的第2面25全反射，而是被观察侧的面5上形成的第2棱镜26的棱镜面27全反射，或者成为接近平行于基部1a的板面的角度的杂散光101C，或者成为从第2棱镜26的上升面28向观察侧射出的杂散光101A。再有，这样一来，由于从第2棱镜26的上升面28向观察侧射出的杂散光101A是以接近平行于基部1a的板面的角度行进的杂散光101从大致垂直于基部1a的板面而上升的上升面28射出的杂散光，所以以对基部1a的板面的法线呈60度以上的大角度射出，完全离开影像的可视范围。
再有，以上举例说明了从各第1棱镜23的第1面24入射的影像光10所产生的杂散光101被在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成的第2棱镜26的棱镜面27全反射的情形，但杂散光101也往往直接入射到上升面28，而非第2棱镜26的棱镜面27上。
这时，杂散光101被第2棱镜26的棱镜面27全反射后作为杂散光101B从棱镜面27射出。再有，这样一来，被第2棱镜26的上升面28全反射后向观察侧射出的杂散光101B由于在观察者一侧的面5原来就是平坦面48时杂散光101以全反射那样的角度行进，所以在被上升面28全反射后也对基部1a的板面形成临界角(约42度)以上的角度，通过被棱镜面27折射，对基部1a的板面的法线以更大的角度(60度以上的大角度)射出，完全离开影像的可视范围。
这里，在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5之中各第2棱镜26的上升面28上，可形成光吸收部或光漫射部。如图2所示，这是因为：杂散光101A、101B从观察侧的面5最终射出是在透过第2棱镜26的上升面28之后，或者是在被上升面28全反射之后，所以通过在上升面28上层叠光吸收层形成光吸收部，或在上升面28上层叠光漫射层进行褪光处理形成光漫射部，可更有效地减少起因于杂散光的双像。
另外，在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成的多个第2棱镜26可仅在观察侧的面5之中成为杂散光的光101所产生的区域形成，也可在观察侧的面5的整个区域形成。即使是前者的状态，也可减少起因于杂散光的双像(叠影)等的障碍。然而，如果仅在观察侧的面5的一部分上形成第2棱镜26，则很容易观察与其它部分(平坦面)的边界。在后者的状态下，由于不产生这样的不连续的边界，从而可提高影像的显示品位。
此外，在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成的多个第2棱镜26的棱镜角ω可以是相同的，而不管在观察侧的面5中的位置如何，另外，也可随在观察面5中的位置而异。再有，在后者的状态下，例如与作为全反射菲涅耳透镜的第1棱镜23一样，棱镜角ω也可以对每1间距连续地变化。
这里，多个第2棱镜26的棱镜角ω在成为杂散光的光101所产生的入射角θ1在30～45度的区域中最好为3～20度，如为5～15度则更好。这里，在第2棱镜26的棱镜角ω比上述范围小时，与观察侧的面5为平坦面时的差异消失，得不到形成第2棱镜26所产生的效果。反之，在第2棱镜26的棱镜角ω比上述范围大时，无法预测从第1棱镜23的第1面24入射的杂散光101的光路，因而并不理想。具体地说，在图2中，可产生下述事态：被观察侧的第2棱镜26的棱镜面27反射的杂散光101从上升面28直接射出，以接近于观察侧的面5为平坦面48时的杂散光102的角度从邻接的第2棱镜26的棱镜面27再入射；而被观察侧的第2棱镜26的上升面28全反射而从该棱镜面27射出的杂散光101B从邻接的第2棱镜26的上升面28再入射并被该棱镜面27全反射。
此外，多个第1棱镜23最好被构成为通过菲涅耳透镜片1的基部1a的影像光10A从基部1a的板面的法线方向看向射出影像光10A的光源12一侧倾斜，多个第2棱镜26最好被构成为通过了基部1a的影像光10A从基部1a的板面的法线方向看向与射出影像光10A的光源12相反的一侧倾斜。这是因为：如上所述，通过基部1a的影像光10A从基部1a的板面的法线方向看向射出影像光10A的光源12一侧倾斜，如果基部1内的影像光10的光路的角度θ4增大，则可减少杂散光的发生。另外，这样一来，由于利用在观察侧的面5上形成的第2棱镜26，通过了基部1a的影像光10A从基部1a的板面的法线方向看向与射出影像光10A的光源12相反的一侧倾斜，从观察侧的面5最终射出的影像光10A可成为大致平行的光。
这样，按照本实施形态，在使从光源12一侧倾斜地投射的影像光10向观察侧射出而进行显示的被用于透射型屏幕3的菲涅耳透镜片1中，在基部1a之中投射影像光的光源侧的面4上形成了具有大致呈三角形剖面的多个第1棱镜23，同时在基部1a之中射出影像光的观察侧的面5上形成了具有大致呈三角形剖面的多个第2棱镜26，由于控制入射到各第1棱镜23的第1面24并被该第1面折射的光之中未被第2面25全反射而成为射向观察侧的面5的杂散光的光101的在观察侧的面5中的反射角，在离开观察侧的影像的可视范围的范围(例如，对基部1a的板面的法线为60度以上)内射出成为杂散光的光101(101A、101B)，所以可消除起因于杂散光的双像(叠影)等障碍，显示良好的影像。
另外，按照本实施形态，由于以位于离开基部1a的板面的部位的菲涅耳中心94为基准，在光源侧的面4上，将在菲涅耳透镜片1的基部1a的光源侧的面4上形成的第1棱镜23形成为同心圆状，即使以背投型电视机的薄型化为目的，按图4所示的形态在透射型屏幕3的下方配置光源12时，也可将光源12配置在通过全反射型的菲涅耳透镜即第1棱镜23的菲涅耳中心的光轴(参照图4的单点点划线)上，其结果是，可使画面的亮度变得均匀。
此外，按照本实施形态，由于以位于与多个第1棱镜23的菲涅耳中心同一高度的中心为基准，在观察侧的面5上，将在菲涅耳透镜片1的基部1a的观察侧的面5上形成的第2棱镜26形成为同心圆状，又由于影像光和杂散光的光路形成为全部以菲涅耳中心为基准的旋转对称，所以杂散光的分析变得容易，可容易地进行菲涅耳透镜片1的透镜设计。
此外，按照本实施形态，由于入射到基部1a之中最接近于菲涅耳中心的边的中央部(参照符号95)的影像光10的入射角为30～45度，入射到最远边的角部(参照符号96)的影像光的入射角为70～80度，与现有的CRT方式的背投型电视机相比，可实现减薄了进深的薄型的背投型电视机。
再有，在上述的实施形态中，如图3A所示，以与位于多个第1棱镜23的菲涅耳中心同一高度的中心为基准，在观察侧的面5上将多个第2棱镜26形成为同心圆状，但不限于此，如图3B所示的菲涅耳透镜片1’那样，可在观察侧的面5上将多个第2棱镜26’形成为直线状(棱线沿水平方向延伸的状态)，或者如图3C所示的菲涅耳透镜片1”那样，以与基部1a的板面的中心(重心位置等的几何学的中心)为基准，也可在观察侧的面5上将多个第2棱镜26”形成为同心圆状。
这里，在图3B所示的菲涅耳透镜片1’中，由于在观察侧的面5上将多个第2棱镜26’形成为直线状，所以在菲涅耳透镜片成形时表里2块成形用模具定位之际，不要求使菲涅耳中心彼此之间一致那样的位置精度，从而制造变得容易。另外，之所以在光源侧的面4和观察侧的面5上形成，是由于利用同心圆状棱镜和直线状棱镜的组合而发生的莫尔花纹的形态在现有的透射型屏幕中已得到充分的研究，从而可容易地避免莫尔花纹的发生。与此相对照，在图3C所示的菲涅耳透镜片1”中，由于以与基部1a的板面的中心(几何学的中心)为基准在观察侧的面5上将多个第2棱镜26”形成为同心圆状，所以光源侧的第1棱镜23所形成的大致的平行光和发散光(在菲涅耳中心一侧为弱会聚，在远离菲涅耳中心的一侧为弱发散)可被作为同心圆状的菲涅耳透镜在观察侧的第2棱镜26”会聚，可提高画面的亮度的均匀性。
另外，在上述的实施形态中，如图4所示，通过将分别作为个体而形成的菲涅耳透镜片1和双凸透镜片2组合起来构成透射型屏幕3，但不限于此，通过在1片的光源侧的面上形成作为全反射型的菲涅耳透镜的棱镜组，在观察侧的面上形成双凸透镜等的漫射要素，即可按照在1片上形成一体化的形态构成透射型屏幕。
此外，在上述的实施形态中，在菲涅耳透镜片1的观察侧配置了双凸透镜片2，但也可用借助于漫射剂等使光漫射的其它任意的光漫射片来代替双凸透镜片2。
此外，在上述的实施形态中，曾举例说明了在菲涅耳透镜片1的基部1a的光源侧的面4上所形成的多个第1棱镜23为圆形菲涅耳型的菲涅耳透镜的情形，但也可同样地应用于多个第1棱镜23为直线形菲涅耳型的菲涅耳透镜的情形。
此外，在上述的实施形态中，作为组装包括了菲涅耳透镜片1的透射型屏幕3的背投型电视机，曾举例说明了影像光10从下方倾斜投射的情形，但也可同样地应用于影像光10从上方倾斜投射的情形。
以下，叙述上述实施形态的具体实施例。
实施例
实施例1
作为实施例1的菲涅耳透镜片，制造了用于55英寸的背投型电视机的透射型屏幕的菲涅耳透镜片。再有，实施例1的菲涅耳透镜片对应于图3A所示的菲涅耳透镜片1。
首先，利用具有40度前端角的切削刀具切削加工，制造构成了菲涅耳透镜片的光源侧的面的全反射型的菲涅耳透镜(第1棱镜)用的金属模具。这时，作为金属模具，棱镜间距为0.1mm，采用了菲涅耳透镜的菲涅耳中心置于金属模具面的外部的方式。另外，金属模具的最小切削半径为200mm，此时的棱镜角φ为70.4度，最大切削半径为1100mm(有效部分为1074mm)，此时的棱镜角φ为50.6度。再有，这样的棱镜角φ相当于下述条件：在用折射率为1.55的材料使菲涅耳透镜成形、组装于后述那样的背投型电视机中使用时，在对应于最小切削半径附近的菲涅耳透镜的部分中，影像光离板面的法线约10度向下射出，在对应于最大切削半径附近的菲涅耳透镜的部分中，影像光大致垂直地射出。
接着，作为构成菲涅耳透镜片的观察侧的面的用来防止杂散光的第2棱镜用的金属模具，要准备棱镜间距为0.0714mm的圆形的凹菲涅耳透镜的金属模具。再有，将金属模具的半径为200mm的棱镜角ω定为10度，直至形成半径为360mm的棱镜角0.3度时，棱镜角ω向外周部渐次缩小。另外，在超过半径360mm的外周部的棱镜角ω恒定于0.3度。
其后，制作盒，以使如上述那样制成的全反射型的菲涅耳透镜(第1棱镜)用的金属模具与上述那样制成的第2棱镜用的凹菲涅耳透镜的金属模具处于互相相向的状态下重叠，并使两者的菲涅耳中心一致。然后，在如此制成的盒内通过注入固化后的折射率为1.55的丙烯·苯乙烯共聚体类的预聚体并使之固化，制造实施例1的菲涅耳透镜片1。
实施例2
作为实施例2的菲涅耳透镜片，制造了用于55英寸的背投型电视机的透射型屏幕的菲涅耳透镜片。再有，实施例2的菲涅耳透镜片对应于图3B所示的菲涅耳透镜片1’。
首先，利用具有40度前端角的切削刀具，在与实施例1大体相同的条件下切削加工，制造构成了菲涅耳透镜片的光源侧的面的全反射型的菲涅耳透镜(第1棱镜)用的金属模具。与实施例1的不同点是，在用折射率为1.55的材料制作菲涅耳透镜片并组装于后述那样的背投型电视机中使用时，在菲涅耳透镜的整个区域内影像光大致垂直于板面射出。因此，在最小切削半径附近，棱镜角φ为66.3度。
接着，为了制作构成菲涅耳透镜片的观察侧的面的用来防止杂散光的第2棱镜，要准备在一个面上间距为0.14mm的棱线沿水平方向延伸的形成了直线菲涅耳透镜(第2棱镜)的丙烯·苯乙烯共聚体类的透明树脂基板。再有，这样的透明树脂基板的基体材料用折射率为1.53的材料形成，直线菲涅耳透镜用固化后的折射率为1.55的紫外线固化树脂形成。另外，对直线菲涅耳透镜的棱镜角ω而言，作为菲涅耳透镜片而构成时的下端一侧的棱镜角ω为12度，向上端一侧则依次减小，在上端成为0度。
其后，对如上述那样制成的全反射型的菲涅耳透镜(第1棱镜)用的金属模具涂敷固化后的折射率为1.55的紫外线固化树脂，从涂敷了紫外线固化树脂的金属模具的上方覆盖未形成上述透明树脂基板的棱镜组的一侧的面，接着，通过照射紫外线，制造实施例2的菲涅耳透镜片。这时，透明树脂基板之中形成了棱镜角ω大的棱镜一侧的端部位于金属模具的下端部一侧。另外，在如此制成的菲涅耳透镜片被组装到后述那样的背投型电视机中使用时，在下端附近，影像光向上成18.5度射出，在上端附近则大致垂直地射出。
实施例3
作为实施例3的菲涅耳透镜片，制造了用作55英寸的背投型电视机的透射型屏幕的菲涅耳透镜片。再有，实施例3的菲涅耳透镜片对应于图3C所示的菲涅耳透镜片1”。
作为构成菲涅耳透镜片的观察侧的面的用来防止杂散光的第2棱镜用的金属模具，要准备棱镜间距为0.0714mm，菲涅耳中心位于菲涅耳透镜片的板面的中心(联结四角的2条对角线的交点)，越接近于外周部其棱镜角就越大的圆形凸菲涅耳透镜(用折射率为1.55的材料成形时焦距为2600mm的凸菲涅耳透镜)的金属模具。再有，对应于金属模具之中菲涅耳透镜片的上端和下端的中央部的半径为342mm处的棱镜角为13.5度，对应于最外周部(四角)的半径为700mm处的棱镜角为26.2度。
其后，通过使在实施例1中制成的全反射型的菲涅耳透镜(第1棱镜)用的金属模具与如上述那样制成的第2棱镜用的凸菲涅耳透镜的金属模具在互相相向的状态下配置，其间夹持折射率为1.55的透明塑料片进行加热压缩成形(压制成形)，制造实施例3的菲涅耳透镜片。
比较例1
对实施例2中制成的全反射型的菲涅耳透镜(第1棱镜)用的金属模具涂敷固化后的折射率为1.55的紫外线固化树脂后，从涂敷了上述紫外线固化树脂的金属模具的上方覆盖两面均为平坦面的透明树脂基板(折射率为1.53)，接着，通过照射紫外线，制造比较例1的菲涅耳透镜片。再有，在如此制成的菲涅耳透镜片被组装到后述那样的背投型电视机中使用时，在菲涅耳透镜的整个区域，影像光大致垂直地射出。
评价结果
将实施例1、实施例2、实施例3和比较例1的菲涅耳透镜片与双凸透镜片组合起来构成透射型屏幕，并将其安装到画面尺寸为55英寸(宽高比16∶9)、投射距离为340mm、光源的位置相对于透射型屏幕位于离画面下端200mm的下方的背投型电视机中，进行比较评价。再有，影像光对这样的背投型电视机的下端中央部(参照图4的符号95)的入射角θ1为3度，影像光对上端角部(参照图4的符号96)的入射角θ1为72.4度。
其结果是，在实施例1～3的透射型屏幕中，没有观察到双像(叠影)。与此相对照，在比较例1的透射型屏幕中，却在画面下部观察到双像(叠影)。

Claims (16)

1.一种菲涅耳透镜片，它是被用于使从光源侧倾斜投射的影像光向观察侧射出以进行显示的透射型屏幕的菲涅耳透镜片，其特征在于，包括：
片状的基部；
多个第1棱镜，它是在上述基部之中投射影像光的光源侧的面上形成的、并且各个被有规则地排列、具有三角形剖面的多个作为菲涅耳透镜的第1棱镜，该各个第1棱镜具有使所投射的影像光入射、同时使该入射了的光折射的第1面和入射到该第1面并被该第1面折射的光的至少一部分向观察侧全反射的第2面；以及
多个第2棱镜，它是在上述基部之中射出影像光的观察侧的面上形成的、并且各个被有规则地排列、具有三角形剖面的多个第2棱镜，该各个第2棱镜具有相对于上述基部的延伸面而倾斜的棱镜面，
上述各个第2棱镜的上述棱镜面与上述基部的延伸面所成的角度为3～20度，并使由上述各第1棱镜的上述第1面进行入射及折射的光之中未被上述第2面全反射而成为射向上述观察侧的面的杂散光的光，射出到上述观察侧的离开影像的可视范围的范围内。
2.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述各第2棱镜还具有与上述棱镜面邻接，同时相对上述基部的延伸面垂直上升的上升面，上述棱镜面被放置成：相对于上述基部的延伸面而倾斜的状态，以使成为上述杂散光的光之中被该棱镜面反射后经上述各第1棱镜再次返回到上述观察侧的面的光以从上述基部的延伸面的法线偏离60度以上的角度从上述观察侧的面射出，上述上升面被放置成：相对于上述基部的延伸面而垂直，以使成为上述杂散光的光之中被该上升面反射后的光以从上述基部的延伸面的法线偏离60度以上的角度从上述观察侧的面射出。
3.如权利要求2所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述观察侧的面之中仅在上述各第2棱镜的上述上升面上形成光吸收部。
4.如权利要求2所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述观察侧的面之中仅在上述各第2棱镜的上述上升面上形成光漫射部。
5.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
成为上述杂散光的光对上述基部的延伸面的法线以60度以上的角度从上述观察侧的面射出。
6.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜仅在上述观察侧的面之中成为上述杂散光的光所产生的区域形成。
7.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜在上述观察侧的面的整个区域内形成。
8.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜的棱镜角相同，而与上述观察侧的面中的位置无关。
9.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜的棱镜角随上述观察侧的面中的位置而不同。
10.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第1棱镜以位于离开上述基部的延伸面的部位的中心为基准在上述光源侧的面上形成为同心圆状。
11.如权利要求10所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜以位于与上述多个第1棱镜的上述同心圆的中心同一高度的中心为基准在上述观察侧的面上形成为同心圆状。
12.如权利要求10所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜在上述观察侧的面上形成为直线状。
13.如权利要求10所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第2棱镜以位于上述基部的延伸面的中心为基准在上述观察侧的面上形成为同心圆状。
14.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
上述多个第1棱镜的上述第1面和上述第2面相对于上述基部的延伸面被放置为：通过上述基部的上述影像光从上述基部的延伸面的法线方向看，向射出上述影像光的光源侧倾斜，上述多个第2棱镜的上述棱镜面被放置为：相对于上述基部的延伸面而倾斜的状态，以使通过了上述基部的上述影像光从上述基部的延伸面的法线方向看，向与射出上述影像光的光源相反的一侧倾斜。
15.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
入射到上述基部之中射出影像光的最接近于光源的边的中央部的影像光的入射角为30～45度，入射到最远边的角部的影像光的入射角为70～80度。
16.一种透射型屏幕，其特征在于，包括：
权利要求1所述的菲涅耳透镜片；以及
配置在上述菲涅耳透镜片的观察侧的光漫射片。
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