JP6056604B2 - Rear projection display device and Fresnel lens used therefor - Google Patents

Rear projection display device and Fresnel lens used therefor Download PDF

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本発明は、背面投写型表示装置及びそれに用いられるフレネルレンズに関する。   The present invention relates to a rear projection display device and a Fresnel lens used therefor.

近年、背面投写型表示装置(リアプロジェクションディスプレイ)が開発されている。図5は、背面投写型表示装置の概略構成の一例を示す側面図である。背面投写型表示装置101は、図において右から、光源と照明光学系と表示素子とを有する光源部20と、プロジェクションレンズ30と、フレネルレンズ140と、スクリーン50とをこの順に備えている。   In recent years, rear projection display devices (rear projection displays) have been developed. FIG. 5 is a side view showing an example of a schematic configuration of the rear projection display device. The rear projection display apparatus 101 includes a light source unit 20 having a light source, an illumination optical system, and a display element, a projection lens 30, a Fresnel lens 140, and a screen 50 in this order from the right in the drawing.

このような背面投写型表示装置101では、光源から出射した光が照明光学系により表示素子に照射され、表示素子に生成された画像がプロジェクションレンズ30により拡大されてスクリーン50に投影される。そして、観察者はスクリーン50の前面側からスクリーン50を見るようになっている。   In such a rear projection display device 101, the light emitted from the light source is irradiated onto the display element by the illumination optical system, and the image generated on the display element is enlarged by the projection lens 30 and projected onto the screen 50. The observer looks at the screen 50 from the front side of the screen 50.

ところで、スクリーン50は、例えばアクリル樹脂製の四角板状体であり、前面にブラスト処理等で拡散面が形成されているので、画像光はスクリーン50で拡散されて観察者に認識される。このようなスクリーン50の拡散特性には、入射角依存性があるので、スクリーン50の中心から周辺部まで(裏面全域に)均一な角度で画像光を入射させると、スクリーン50の画面全体で輝度が均一となり、視認性のよい表示画像となる。そこで、プロジェクションレンズ30からの拡散光を光軸に対して平行となる平行光として、スクリーン50の裏面全域に入射させるために、フレネルレンズ140がプロジェクションレンズ30とスクリーン50との間でスクリーン50付近に配置されている。   By the way, the screen 50 is a rectangular plate made of acrylic resin, for example, and a diffusion surface is formed on the front surface by blasting or the like, so that the image light is diffused by the screen 50 and recognized by the observer. Since the diffusion characteristics of the screen 50 are dependent on the incident angle, if the image light is incident at a uniform angle from the center of the screen 50 to the peripheral portion (over the entire back surface), the luminance of the entire screen of the screen 50 is increased. Becomes uniform and a display image with good visibility is obtained. Therefore, in order for the diffused light from the projection lens 30 to enter the entire back surface of the screen 50 as parallel light parallel to the optical axis, the Fresnel lens 140 is located between the projection lens 30 and the screen 50 and in the vicinity of the screen 50. Is arranged.

このようなフレネルレンズ140は、例えばアクリル樹脂(屈折率n=1.49)製の円板状板であり、プロジェクションレンズ30側は平面41となり、スクリーン50側は同心円状に配列された複数のプリズムとなっている。プリズムは、スクリーン50の裏面に略垂直となる入射角で画像光を入射させるためのフレネル面42と、フレネル面42同士をつなぐライズ面143とを有する。各フレネル面42の傾き(フレネル角)φfnは、フレネルレンズ40の中心からの距離(nが大きくなる)に従って変化し、プロジェクションレンズ30からの拡散光のうち、周辺部の光は大きく屈折し、中心部の光は小さく屈折するようになっている。すなわち、φf1<φf2<φf3<・・・<φf(n−1)<φfnとなっている。なお、各ライズ面143の傾き(ライズ角)φrnは、全て垂直となっている。すなわち、φr1=φr2=φr3=・・・=φr(n−1)=φrn=90°となっている。 Such a Fresnel lens 140 is a disk-shaped plate made of, for example, acrylic resin (refractive index n 1 = 1.49). The projection lens 30 side is a flat surface 41, and the screen 50 side is a plurality of concentric circular arrays. It is a prism. The prism has a Fresnel surface 42 for allowing image light to enter at an incident angle substantially perpendicular to the back surface of the screen 50, and a rise surface 143 that connects the Fresnel surfaces 42 to each other. The inclination (Fresnel angle) φ fn of each Fresnel surface 42 changes according to the distance from the center of the Fresnel lens 40 (n increases), and the diffused light from the projection lens 30 is largely refracted at the peripheral part. The light at the center is refracted small. That is, φ f1f2f3 <... <Φ f (n−1)fn . Note that the inclination (rise angle) φ rn of each rise surface 143 is all vertical. That is, φ r1 = φ r2 = φ r3 =... = Φ r (n−1) = φ rn = 90 °.

ここで、フレネルレンズ140による光路の一例について説明する。図6は、フレネルレンズ140による光路図である。入射光(a−1)は、平面41で屈折して内部に入射する。平面41で屈折した入射光(a−2)は、第nのフレネル面42に到達したときに、第nのフレネル面42で屈折してスクリーン50に出射する正常光(a−3)と、第nのフレネル面42で反射したゴースト光(a−4)とに分かれる。ゴースト光(a−4)は、第nのライズ面143や第(n−1)のフレネル面42等を次々と屈折しながら透過していき、ゴースト光(a−5)は平面41に入射角θout’(全反射角以上)で入射する。その結果、ゴースト光(a−5)は平面41で全反射して、再びプリズムに向かうゴースト光(a−6)となる。つまり、ゴースト光(a−6)は、第(n−i)のライズ面143や第(n−i)のフレネル面42等で屈折してスクリーン50に出射する。そして、スクリーン50上に円弧状のゴーストを形成することになる。特にフレネルレンズ140の中心から離れた(nが大きくなる)位置では、フレネルレンズ140の平面41への入射光(a−1)の入射角θinが大きいとともに、フレネル角φfnが大きいため、フレネル面42への入射光(a−2)の入射角が大きくなる結果、入射光(a−2)のフレネル面42での反射率が高くなり、ゴースト光(a−4)の強度が強くなる。なお、図7は、フレネルレンズ140の一部を模擬した光路図の計算結果である。 Here, an example of an optical path by the Fresnel lens 140 will be described. FIG. 6 is an optical path diagram by the Fresnel lens 140. Incident light (a-1) is refracted by the plane 41 and enters the inside. When the incident light (a-2) refracted by the plane 41 reaches the nth Fresnel surface 42, normal light (a-3) refracted by the nth Fresnel surface 42 and emitted to the screen 50; It is divided into ghost light (a-4) reflected by the nth Fresnel surface 42. The ghost light (a-4) passes through the n-th rise surface 143 and the (n-1) -th Fresnel surface 42 while being refracted one after another, and the ghost light (a-5) is incident on the plane 41. Incident at an angle θ out ′ (more than total reflection angle). As a result, the ghost light (a-5) is totally reflected by the plane 41, and becomes ghost light (a-6) again toward the prism. That is, the ghost light (a-6) is refracted by the (ni) rise surface 143, the (ni) Fresnel surface 42, etc., and is emitted to the screen 50. Then, an arc-shaped ghost is formed on the screen 50. In particular, at a position away from the center of the Fresnel lens 140 (n increases), the incident angle θ in of the incident light (a-1) to the plane 41 of the Fresnel lens 140 is large and the Fresnel angle φ fn is large. As a result of increasing the incident angle of the incident light (a-2) to the Fresnel surface 42, the reflectance of the incident light (a-2) at the Fresnel surface 42 is increased, and the intensity of the ghost light (a-4) is increased. Become. FIG. 7 is a calculation result of an optical path diagram simulating a part of the Fresnel lens 140.

そのため、スクリーン50上にゴーストが形成されるのを防止するために、種々の対策が提案されている。例えば、(1)ライズ面に光吸収体を設けてゴースト光(a−6)を吸収するか、若しくは、光散乱体を設けてゴースト光(a−6)を拡散させたもの(例えば、特許文献1参照)、(2)2枚のフレネルレンズを備えたもの、(3)フレネルレンズに光吸収材を混入し、ゴースト光(a−4)〜(a−6)を減衰させたもの(例えば、特許文献2参照)、(4)フレネルレンズのライズ面の傾きを、フレネルレンズの平面側から入射され、フレネルレンズのフレネル面で一部反射された後、平面にて全反射され、ライズ面に到達する投影光を全反射させるように設定したもの(例えば、特許文献3参照)等である。   For this reason, various measures have been proposed to prevent the formation of ghosts on the screen 50. For example, (1) a light absorber is provided on the rise surface to absorb ghost light (a-6), or a light scatterer is provided to diffuse ghost light (a-6) (for example, a patent Reference 1), (2) one provided with two Fresnel lenses, (3) a light absorber mixed in the Fresnel lens to attenuate ghost light (a-4) to (a-6) ( For example, see Patent Document 2), (4) The rise angle of the Fresnel lens is incident from the plane side of the Fresnel lens, partially reflected by the Fresnel surface of the Fresnel lens, and then totally reflected by the plane. The projection light reaching the surface is set to totally reflect (see, for example, Patent Document 3).

特開平4−163539号公報JP-A-4-163539 特開平5−346620号公報JP-A-5-346620 特開平9−218465号公報JP-A-9-218465

しかしながら、上述した(1)の技術では、まず第一に記載通りに作製することが困難であり、たとえ作製できても非常にコスト高となる。また、(2)の技術では、作製は可能であるがコスト高やサイズが大きくなるというデメリットがある。そして、(3)の技術では、正常光(a−3)の光量が低下してしまうといった様々な問題点を有している。   However, with the technique (1) described above, it is difficult to manufacture as described first, and even if it can be manufactured, the cost is very high. In addition, the technique (2) has a demerit that it can be manufactured but the cost and size are increased. The technique (3) has various problems such that the amount of normal light (a-3) is reduced.

さらに、(4)の技術では、ゴースト光がスクリーン側に射出するため、スクリーンの自由度(構造・位置)が低下するという問題点があった。
そこで、本発明は、スクリーン上へのゴーストの発生を防止することができる背面投写型表示装置及びそれに用いられるフレネルレンズを提供することを目的とする。
Furthermore, the technique (4) has a problem in that the degree of freedom (structure and position) of the screen is lowered because ghost light is emitted to the screen side.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a rear projection display device capable of preventing the occurrence of a ghost on a screen and a Fresnel lens used therefor.

上記課題を解決するためになされた本発明の背面投写型表示装置は、スクリーンと、光源と、当該スクリーンと当該光源との間に配置されるフレネルレンズとを備え、前記フレネルレンズの光源側は平面となり、前記フレネルレンズのスクリーン側は、ライズ面とフレネル面とを有する複数のプリズムとなり、前記フレネルレンズの平面から内部に入射した光が、前記フレネル面で屈折して前記スクリーンに出射する背面投写型表示装置であって、第nのフレネル面で出射せず反射した光が、前記ライズ面及びフレネル面を屈折しながら透過していき、第(n−i)のライズ面で反射した後、前記フレネルレンズの光源側の平面から外部に出射する(全反射しない)よう、前記ライズ面の傾きが形成されているようにしている。 A rear projection display device of the present invention made to solve the above-described problem includes a screen, a light source, and a Fresnel lens disposed between the screen and the light source, and the light source side of the Fresnel lens is The screen side of the Fresnel lens becomes a plurality of prisms having a rise surface and a Fresnel surface, and the light incident inside from the plane of the Fresnel lens is refracted by the Fresnel surface and emitted to the screen. In the projection display device, after the light reflected without being emitted from the nth Fresnel surface is refracted through the rise surface and the Fresnel surface and reflected by the (n−i) rise surface. The rise surface is inclined so that the light is emitted from the light source side plane of the Fresnel lens to the outside (not totally reflected).

本発明の背面投写型表示装置によれば、スクリーン上にゴーストが形成される原因となるゴースト光をフレネルレンズの平面側(スクリーンと反対側)に出射させることで防止する。例えば、図2に示すように、入射光(b−1)は、平面で屈折して内部に入射する。平面で屈折した入射光(b−2)は、第nのフレネル面に到達したときに、第nのフレネル面で屈折してスクリーンに出射する正常光(b−3)と、第nのフレネル面で反射したゴースト光(b−4)とに分かれる。ゴースト光(b−4)は、第nのライズ面や第(n−1)のフレネル面等を次々と屈折しながら透過(b−5)していき、ゴースト光(b−6)は、第(n−i)のライズ面に到達したときに反射される。さらに、ゴースト光(b−7)は平面に入射角θout’(全反射角未満)で入射する。これにより、ゴースト光(b−8)は平面で屈折して外部に出射する。つまり、ゴースト光(b−8)はスクリーンと反対側に出射することになる。 According to the rear projection display device of the present invention, the ghost light that causes the ghost to be formed on the screen is prevented by being emitted to the plane side (the side opposite to the screen) of the Fresnel lens. For example, as shown in FIG. 2, the incident light (b-1) is refracted in a plane and enters the inside. When the incident light (b-2) refracted by the plane reaches the nth Fresnel surface, the normal light (b-3) refracted by the nth Fresnel surface and emitted to the screen, and the nth Fresnel surface It is divided into ghost light (b-4) reflected by the surface. The ghost light (b-4) is transmitted (b-5) while being refracted one after another on the nth rise surface, the (n-1) th Fresnel surface, etc., and the ghost light (b-6) is It is reflected when it reaches the (n−i) th rise surface. Furthermore, the ghost light (b-7) is incident on the plane at an incident angle θ out ′ (less than the total reflection angle). As a result, the ghost light (b-8) is refracted on a plane and emitted to the outside. That is, ghost light (b-8) is emitted to the opposite side of the screen.

以上のように、本発明の背面投写型表示装置によれば、ゴースト光はスクリーンと反対側に出射するので、スクリーン上へのゴーストの発生を防止することができる As described above, according to the rear projection display device of the present invention, the ghost light is emitted to the opposite side of the screen, so that the generation of the ghost on the screen can be prevented .

また、ゴーストの発生を防止するためには、ライズ角の設定のみを変更すればよいので、作製が容易となる。In addition, in order to prevent the occurrence of ghost, only the setting of the rise angle needs to be changed, which facilitates the production.

ここで、「n」は、フレネルレンズの中心からの距離の大きさを示す数値であり、「i」は、制作者等によって予め設定された任意の数値である。また、後述するが、iが小さいほどゴーストが低減できることになり、例えば、「1」や「2」等となる。Here, “n” is a numerical value indicating the magnitude of the distance from the center of the Fresnel lens, and “i” is an arbitrary numerical value preset by the producer or the like. As will be described later, the smaller i is, the more ghost can be reduced, for example, “1”, “2”, and the like.

(その他の課題を解決するための手段及び効果)
そして、上記発明において、前記フレネル面で出射せず反射した光が、前記ライズ面に全反射角以上で入射して、前記ライズ面で全反射した光が、前記平面へ全反射角未満で入射するようになっているようにしてもよい。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, the light reflected without being emitted from the Fresnel surface is incident on the rise surface at a total reflection angle or more, and the light totally reflected on the rise surface is incident on the plane at a angle less than the total reflection angle. You may be made to do.

さらに、本発明の背面投写型表示装置に用いられるフレネルレンズは、スクリーンと、光源と、当該スクリーンと当該光源との間に配置されるフレネルレンズとを備え、前記フレネルレンズの光源側は平面となり、前記フレネルレンズのスクリーン側は、ライズ面とフレネル面とを有する複数のプリズムとなり、前記フレネルレンズの平面から内部に入射した光が、前記フレネル面で屈折して前記スクリーンに出射する背面投写型表示装置に用いられるフレネルレンズであって、第nのフレネル面で出射せず反射した光が、前記ライズ面及びフレネル面を屈折しながら透過していき、第(n−i)のライズ面で反射した後、前記平面から外部に出射するよう、前記ライズ面の傾きが形成されているようにしている。 Furthermore, the Fresnel lens used in the rear projection display device of the present invention includes a screen, a light source, and a Fresnel lens disposed between the screen and the light source, and the light source side of the Fresnel lens is a flat surface. The screen side of the Fresnel lens is a plurality of prisms having a rise surface and a Fresnel surface, and the rear projection type in which light incident inside from the plane of the Fresnel lens is refracted by the Fresnel surface and emitted to the screen. In the Fresnel lens used in the display device, the light reflected without being emitted from the nth Fresnel surface is transmitted while being refracted through the rise surface and the Fresnel surface, and the (ni) rise surface . After the reflection, the rise surface is inclined so as to be emitted from the plane to the outside.

本発明に係る背面投写型表示装置の概略構成の一例を示す側面図。The side view which shows an example of schematic structure of the rear projection type display apparatus which concerns on this invention. 図1のフレネルレンズによる光路図。The optical path diagram by the Fresnel lens of FIG. 図1のフレネルレンズの一部を模擬した光路図の計算結果。The calculation result of the optical path diagram which simulated a part of Fresnel lens of FIG. 本発明の別実施例に係るフレネルレンズによる光路図。The optical path figure by the Fresnel lens which concerns on another Example of this invention. 従来の背面投写型表示装置の概略構成の一例を示す側面図。The side view which shows an example of schematic structure of the conventional rear projection type display apparatus. 図5のフレネルレンズによる光路図。FIG. 6 is an optical path diagram by the Fresnel lens of FIG. 5. 図5のフレネルレンズの一部を模擬した光路図の計算結果。The calculation result of the optical path diagram which simulated a part of Fresnel lens of FIG.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.

<第一の実施形態>
図1は、本発明に係る背面投写型表示装置の概略構成の一例を示す側面図である。なお、背面投写型表示装置101と同様のものについては、同じ符号を付している。
背面投写型表示装置1は、図において右から、光源と照明光学系と表示素子とを有する光源部20と、プロジェクションレンズ30と、フレネルレンズ40と、スクリーン50とをこの順に備えている。
<First embodiment>
FIG. 1 is a side view showing an example of a schematic configuration of a rear projection display device according to the present invention. The same reference numerals are assigned to the same components as those in the rear projection display device 101.
The rear projection display device 1 includes a light source unit 20 including a light source, an illumination optical system, and a display element, a projection lens 30, a Fresnel lens 40, and a screen 50 in this order from the right in the drawing.

フレネルレンズ40は、例えばアクリル樹脂(屈折率n1=1.49)製の円板状板であり、プロジェクションレンズ30側は平面41となり、スクリーン50側は同心円状に配列された複数のプリズムとなっている。プリズムは、スクリーン50に略垂直となる入射角で画像光を入射させるためのフレネル面42と、フレネル面42同士をつなぐライズ面43とを有する。
各フレネル面42の傾きφfnは、フレネルレンズ40の中心からの距離(nが大きくなる)に従って変化し、プロジェクションレンズ30からの拡散光のうち、周辺部の光は大きく屈折し、中心部の光は小さく屈折するようになっている。すなわち、φf1<φf2<φf3<・・・<φf(n−1)<φfnとなっている。
The Fresnel lens 40 is a disk-shaped plate made of, for example, acrylic resin (refractive index n1 = 1.49). The projection lens 30 side is a flat surface 41, and the screen 50 side is a plurality of prisms arranged concentrically. ing. The prism includes a Fresnel surface 42 for allowing image light to enter the screen 50 at an incident angle substantially perpendicular to the screen 50, and a rise surface 43 that connects the Fresnel surfaces 42.
The inclination φ fn of each Fresnel surface 42 changes according to the distance from the center of the Fresnel lens 40 (n becomes larger), and the diffused light from the projection lens 30 is refracted greatly at the peripheral part, The light is refracted small. That is, φ f1f2f3 <... <Φ f (n−1)fn .

各ライズ面43の傾きφrnは、フレネルレンズ40の中心からの距離(nが大きくなる)に従って変化し、第nのフレネル面42で出射せず反射した光を屈折させるとともに、第(n+1)のフレネル面42で出射せず反射した光を全反射させることで、平面41から外部に出射するよう形成されている。このとき、第(n+1)のフレネル面42で反射した光は、第nのライズ面43へ全反射角以上で入射するとともに、第nのライズ面43で反射した光は、平面41へ全反射角未満で入射するようになっている。
なお、このようなフレネルレンズ40は、フレネル面42を切削するバイトの角度を変えることにより作製される。また、φr1>φr2>φr3>・・・>φr(n−1)>φrnとなることが好ましい。
The inclination φ rn of each rise surface 43 changes according to the distance from the center of the Fresnel lens 40 (n increases), refracts the light reflected without being emitted from the nth Fresnel surface 42, and (n + 1) th The light reflected from the Fresnel surface 42 without being emitted is totally reflected so as to be emitted from the plane 41 to the outside. At this time, the light reflected by the (n + 1) th Fresnel surface 42 enters the nth rise surface 43 at a total reflection angle or more, and the light reflected by the nth rise surface 43 is totally reflected by the plane 41. It is designed to be incident at less than an angle.
Such a Fresnel lens 40 is manufactured by changing the angle of the cutting tool for cutting the Fresnel surface 42. Further, it is preferable that φ r1 > φ r2 > φ r3 >...> Φ r (n−1) > φ rn .

次に、フレネルレンズ40による光路の一例について説明する。図2は、フレネルレンズ40による光路図である。入射光(b−1)は、平面41で屈折して内部に入射する。平面41で屈折した入射光(b−2)は、第nのフレネル面42に到達したときに、第nのフレネル面42で屈折してスクリーン50に出射する正常光(b−3)と、第nのフレネル面42で反射したゴースト光(b−4)とに分かれる。ゴースト光(b−4)は、第nのライズ面43や第(n−1)のフレネル面42を屈折しながら透過(b−5)していき、ゴースト光(b−6)は、第(n−1)のライズ面43に到達したときに全反射される。さらに、ゴースト光(b−7)は平面41に入射角θout’(全反射角未満)で入射する。そして、ゴースト光(b−8)は平面41で屈折して外部に出射する。つまり、ゴースト光(b−8)はスクリーン50と反対側に出射することになる。なお、図3は、フレネルレンズ40の一部を模擬した光路図の計算結果である。 Next, an example of an optical path by the Fresnel lens 40 will be described. FIG. 2 is an optical path diagram of the Fresnel lens 40. Incident light (b-1) is refracted by the plane 41 and enters the inside. When the incident light (b-2) refracted by the plane 41 reaches the nth Fresnel surface 42, normal light (b-3) refracted by the nth Fresnel surface 42 and emitted to the screen 50; It is divided into ghost light (b-4) reflected by the nth Fresnel surface 42. The ghost light (b-4) passes through (b-5) while being refracted through the nth rise surface 43 and the (n-1) th Fresnel surface 42, and the ghost light (b-6) It is totally reflected when it reaches the rise surface 43 of (n-1). Furthermore, the ghost light (b-7) is incident on the plane 41 at an incident angle θ out ′ (less than the total reflection angle). The ghost light (b-8) is refracted by the plane 41 and is emitted to the outside. That is, the ghost light (b-8) is emitted to the opposite side of the screen 50. FIG. 3 is a calculation result of an optical path diagram simulating a part of the Fresnel lens 40.

ここで、第nのフレネル面42で出射せず反射した光を反射させて、平面41から外部に出射する第(n−i)のライズ面43の傾きφr(n−i)を設定するための計算方法の一例について説明する。なお、ここでは、φrn=φr(n−1)=φr(n−2)=・・・=φr(n−i)としている。
まず、フレネルレンズの屈折率をnとし、空気の屈折率をnとし、平面41への入射角をθinとし、平面41からの出射角をθin’とすると、下記式(1)が成立する。
θin’=sin−1{(n/n)・sinθin} ・・・(1)
Here, the light φ reflected without being emitted from the nth Fresnel surface 42 is reflected, and the inclination φ r ( ni) of the (ni) rise surface 43 emitted from the plane 41 to the outside is set. An example of the calculation method for this will be described. Here, φ rn = φ r (n−1) = φ r (n−2) =... = Φ r (n−i) .
First, assuming that the refractive index of the Fresnel lens is n 1 , the refractive index of air is n 0 , the incident angle to the plane 41 is θ in, and the exit angle from the plane 41 is θ in ′, the following formula (1) Is established.
θ in ′ = sin −1 {(n 0 / n 1 ) · sin θ in } (1)

そして、第nのフレネル角をφfnとし、第nのライズ角をφrnとし、第nのライズ面43への入射角をθとすると、下記式(2)が成立する。
θ=180−2φfn−φrn+θin’ ・・・(2)
また、第(n−i)のライズ面43への入射角をθn−iとすると、下記式(3)のようになる。
θn−(i+1)=180−φfn−φrn−sin−1{(n/n)・sin(180−φfn−φrn−sin−1{(n/n)・sinθn−i})} ・・・(3)
ただし、i=1、2・・・である。
When the n-th Fresnel angle is φ fn , the n-th rise angle is φ rn, and the incident angle to the n-th rise surface 43 is θ n , the following equation (2) is established.
θ n = 180−2φ fn −φ rn + θ in ′ (2)
Further, assuming that the incident angle to the (n−i) th rise surface 43 is θ n−i , the following equation (3) is obtained.
θ n− (i + 1) = 180−φ fn −φ rn −sin −1 {(n 0 / n 1 ) · sin (180−φ fn −φ rn −sin −1 {{(n 1 / n 0 ) · sin θ ni })} (3)
However, i = 1, 2,.

一方、下記式(4)が成立するときに、第(n−i)のライズ面43で全反射が起こることとなる。
θn−i>sin−1(n/n) ・・・(4)
ただし、i=0、1、2・・・である。
On the other hand, when the following formula (4) is established, total reflection occurs at the (n−i) th rise surface 43.
θ n−i > sin −1 (n 0 / n 1 ) (4)
However, i = 0, 1, 2,...

さらに、下記式(5)が成立するときに、第(n−i)のライズ面43で全反射した光が、平面41で全反射せずに透過することとなる。
θout’=|φrn−θn−i|<sin−1(n/n) ・・・(5)
Further, when the following formula (5) is established, the light totally reflected by the (n−i) th rise surface 43 is transmitted without being totally reflected by the plane 41.
θ out ′ = | φ rn −θ n−i | <sin −1 (n 0 / n 1 ) (5)

なお、入射光(b−2)がライズ面43で削られる可能性があるので、下記式(6)が成立することが好ましい。
90≧φrn>90−θin’ ・・・(6)
In addition, since incident light (b-2) may be scraped by the rise surface 43, it is preferable that the following formula (6) is satisfied.
90 ≧ φ rn > 90−θ in ′ (6)

このような式(1)〜式(5)を満足すれば、第(n−i)のライズ面43は、第nのフレネル面42で出射せずに反射した光を全反射させて、平面41から外部に出射することができることになる。なお、iが小さいほどゴーストが低減できる。
よって、例えば、アクリル樹脂製のフレネルレンズ40では、式(4)より全反射を起こさせる第(n−i)のライズ面43に入射するゴースト光の入射角度θn−iは、空気(屈折率n=1.00)とアクリル(屈折率n=1.49)との全反射角である42.2°となるように設計すればよく、入射光の入射角θin=40°であるときには、式(1)よりθin’=25.5°となり、フレネル角φfn=60°であるときには、ライズ角φr(n−i)<63.1°とすれば、i=1で式(4)を満たす。
If the equations (1) to (5) are satisfied, the (n−i) -th rise surface 43 totally reflects the light reflected without being emitted from the n-th Fresnel surface 42 to obtain a plane. 41 can be emitted to the outside. In addition, a ghost can be reduced, so that i is small.
Therefore, for example, in the Fresnel lens 40 made of acrylic resin, the incident angle θ n−i of the ghost light incident on the (n−i) th rise surface 43 causing total reflection from the equation (4) is air (refracted). The total reflection angle between the refractive index n 0 = 1.00 and the acrylic (refractive index n 1 = 1.49) may be designed to be 42.2 °, and the incident angle θ in = 40 ° of incident light. Is θ in '= 25.5 ° according to the equation (1), and when the Fresnel angle φ fn = 60 °, if the rise angle φ r (n−i) <63.1 °, then i = 1 satisfies Equation (4).

以上のように、第一の実施形態の背面投写型表示装置1によれば、ゴースト光はスクリーン50と反対側に出射するので、スクリーン50上へのゴーストの発生を防止することができる。また、第nのフレネル面42からの正常光(b−3)は実際には誤差や幅を持つ光束であるので、第(n+1)のライズ面43が傾いて第(n+1)のライズ面43に垂直でない光束が当たるのを防止することができ、その結果、第(n+1)のライズ面43に当たった光により生じる輝度ムラを防止することができる。   As described above, according to the rear projection display device 1 of the first embodiment, since the ghost light is emitted to the opposite side of the screen 50, the occurrence of the ghost on the screen 50 can be prevented. Further, the normal light (b-3) from the nth Fresnel surface 42 is actually a light beam having an error or a width, so that the (n + 1) th rise surface 43 is inclined and the (n + 1) th rise surface 43 is tilted. It is possible to prevent a non-perpendicular light beam from hitting, and as a result, it is possible to prevent luminance unevenness caused by light hitting the (n + 1) th rise surface 43.

<第二の実施形態>
背面投写型表示装置は、光源と照明光学系と表示素子とを有する光源部と、プロジェクションレンズと、フレネルレンズ240と、スクリーンとを右からこの順に備えている。第二の実施形態は、第一の実施形態とはフレネルレンズの構成のみが異なるので、フレネルレンズのみについて説明する。
<Second Embodiment>
The rear projection display device includes a light source unit including a light source, an illumination optical system, and a display element, a projection lens, a Fresnel lens 240, and a screen in this order from the right. Since the second embodiment differs from the first embodiment only in the configuration of the Fresnel lens, only the Fresnel lens will be described.

フレネルレンズ240は、例えばアクリル樹脂(屈折率n=1.49)製の円板状板であり、プロジェクションレンズ30側は平面41となり、スクリーン50側は同心円状に配列された複数のプリズムとなっている。プリズムは、スクリーン50に略垂直となる入射角で画像光を入射させるためのフレネル面242と、フレネル面242同士をつなぐライズ面243とを有する。
各フレネル面242の傾きφfnは、フレネルレンズ240の中心からの距離(nが大きくなる)に従って変化し、プロジェクションレンズ30からの拡散光のうち、周辺部の光は大きく屈折し、中心部の光は小さく屈折するようになっている。すなわち、φf1<φf2<φf3<・・・<φf(n−1)<φfnとなっている。
The Fresnel lens 240 is a disk-shaped plate made of, for example, acrylic resin (refractive index n 1 = 1.49), the projection lens 30 side is a flat surface 41, and the screen 50 side is a plurality of prisms arranged concentrically. It has become. The prism has a Fresnel surface 242 for allowing image light to enter the screen 50 at an incident angle substantially perpendicular to the screen 50, and a rise surface 243 that connects the Fresnel surfaces 242 to each other.
The inclination φ fn of each Fresnel surface 242 changes according to the distance from the center of the Fresnel lens 240 (n becomes larger), and the diffused light from the projection lens 30 is largely refracted and refracted at the central part. The light is refracted small. That is, φ f1f2f3 <... <Φ f (n−1)fn .

各ライズ面243の傾きφrnは、フレネルレンズ240の中心からの距離(nが大きくなる)に従って変化し、第nのフレネル面242で出射せず反射した光を全反射させることで、平面41から外部に出射するよう形成されている。つまり、第nのフレネル面242で出射せず反射した光を、同じプリズムの第nのライズ面243が全反射させている。このとき、第nのフレネル面242で反射した光は、第nのライズ面243へ全反射角以上で入射するとともに、第nのライズ面243で反射した光は、平面41へ全反射角未満で入射するようになっている。
例えば、アクリル樹脂製のフレネルレンズ240では、全反射を起こさせる第nのライズ面243に入射するゴースト光の入射角度θは、前記の式(4)より空気(屈折率n=1.00)とアクリル(屈折率n=1.49)との全反射角である42.2°となるように設計すればよく、入射光の入射角θin=40°であるときには、式(1)よりθin’=25.5°となり、フレネル角φfn=60°であるときには、ライズ角φrn<43.4°とすれば、i=0で式(4)を満たす。
The inclination φ rn of each rise surface 243 changes according to the distance from the center of the Fresnel lens 240 (n becomes larger), and the light reflected by the nth Fresnel surface 242 without being emitted is totally reflected, so that the plane 41 It is formed so as to be emitted from the outside. In other words, the n-th rise surface 243 of the same prism totally reflects the light reflected without being emitted from the n-th Fresnel surface 242. At this time, the light reflected by the nth Fresnel surface 242 enters the nth rise surface 243 at a total reflection angle or more, and the light reflected by the nth rise surface 243 is less than the total reflection angle to the plane 41. It comes to be incident.
For example, in the Fresnel lens 240 made of acrylic resin, the incident angle θ n of the ghost light incident on the nth rise surface 243 causing total reflection is air (refractive index n 0 = 1. 00) and acrylic (refractive index n 1 = 1.49) may be designed to be 42.2 °, and when the incident angle θ in = 40 ° of incident light, From 1), when θ in ′ = 25.5 ° and the Fresnel angle φ fn = 60 °, if the rise angle φ rn <43.4 °, then i = 0 and the expression (4) is satisfied.

次に、フレネルレンズ240による光路の一例について説明する。図4は、フレネルレンズ240による光路図である。入射光(c−1)は、平面41で屈折して内部に入射する。平面41で屈折した入射光(c−2)は、第nのフレネル面242に到達したときに、第nのフレネル面242で屈折してスクリーン50に出射する正常光(c−3)と、第nのフレネル面242で反射したゴースト光(c−4)とに分かれる。ゴースト光(c−4)は、第nのライズ面243に到達して全反射される。さらに、ゴースト光(c−5)は平面41に入射角θout’(全反射角未満)で入射する。これにより、ゴースト光(c−5)は平面41で屈折して外部に出射する。つまり、ゴースト光(c−6)はスクリーン50と反対側に出射することになる。 Next, an example of an optical path by the Fresnel lens 240 will be described. FIG. 4 is an optical path diagram by the Fresnel lens 240. Incident light (c-1) is refracted by the plane 41 and enters the inside. When the incident light (c-2) refracted by the plane 41 reaches the nth Fresnel surface 242, the normal light (c-3) refracted by the nth Fresnel surface 242 and emitted to the screen 50; It is divided into ghost light (c-4) reflected by the nth Fresnel surface 242. The ghost light (c-4) reaches the nth rise surface 243 and is totally reflected. Furthermore, the ghost light (c-5) is incident on the plane 41 at an incident angle θ out ′ (less than the total reflection angle). Thereby, the ghost light (c-5) is refracted by the plane 41 and is emitted to the outside. That is, ghost light (c-6) is emitted to the opposite side of the screen 50.

以上のように、第二の実施形態のフレネルレンズ240によれば、ゴースト光はスクリーン50と反対側に出射するので、スクリーン50上へのゴーストの発生を防止することができる。また、第nのフレネル面242からの正常光(c−3)は実際には誤差や幅を持つ光束であるので、第(n+1)のライズ面243が傾いて第(n+1)のライズ面243に垂直でない光束が当たるのを防止することができ、その結果、第(n+1)のライズ面243に当たった光により生じる輝度ムラを防止することができる。   As described above, according to the Fresnel lens 240 of the second embodiment, the ghost light is emitted to the opposite side of the screen 50, so that the generation of the ghost on the screen 50 can be prevented. Further, the normal light (c-3) from the n-th Fresnel surface 242 is actually a light flux having an error or a width. It is possible to prevent a non-perpendicular light beam from hitting, and as a result, it is possible to prevent luminance unevenness caused by light hitting the (n + 1) th rise surface 243.

<他の実施形態>
(1)上述した背面投写型表示装置1では、第nのライズ面43は、第nのフレネル面42で出射せず反射した光を屈折させるとともに、第(n+1)のフレネル面42で出射せず反射した光を反射させることで、平面41から外部に出射するよう形成されている構成を示したが、第nのフレネル面及び第(n+1)のフレネル面で出射せず反射した光を屈折させるとともに、第(n+2)のフレネル面で出射せず反射した光を反射させることで、平面から外部に出射するよう形成されているような構成としてもよい。つまり、「i」は、任意の数値であってもよい。
<Other embodiments>
(1) In the rear projection display device 1 described above, the nth rise surface 43 refracts the reflected light without being emitted from the nth Fresnel surface 42 and emits it from the (n + 1) th Fresnel surface 42. Although the configuration is shown in which the reflected light is reflected to be emitted to the outside from the plane 41, the reflected light is not refracted by the nth Fresnel surface and the (n + 1) th Fresnel surface. In addition, the light reflected from the (n + 2) -th Fresnel surface may be reflected so that the light is emitted from the plane to the outside. That is, “i” may be an arbitrary numerical value.

(2)上述した背面投写型表示装置1では、各ライズ面43の傾きφrnは、フレネルレンズ40の中心からの距離(nが大きくなる)に従って変化する構成を示したが、あるnの範囲(例えばn>10)だけ、第(n+1)のフレネル面で出射せず反射した光を反射させることで、平面から外部に出射するよう形成されているような構成としてもよい。 (2) In the rear projection display device 1 described above, the inclination φ rn of each rise surface 43 has been shown to change according to the distance from the center of the Fresnel lens 40 (n increases), but in a certain n range A configuration may be adopted in which light is reflected from the (n + 1) th Fresnel surface without being reflected by (for example, n> 10) so as to be emitted from the plane to the outside.

本発明は、フレネルレンズを備える背面投写型表示装置に利用することができる。   The present invention can be used for a rear projection display device including a Fresnel lens.

1:背面投写型表示装置
20:光源
40、240:フレネルレンズ
41:平面
42、242:フレネル面
43、243:ライズ面
50:スクリーン
1: rear projection display device 20: light source 40, 240: Fresnel lens 41: plane 42, 242: Fresnel surface 43, 243: rise surface 50: screen

Claims (3)

スクリーンと、光源と、当該スクリーンと当該光源との間に配置されるフレネルレンズとを備え、
前記フレネルレンズの光源側は平面となり、前記フレネルレンズのスクリーン側は、ライズ面とフレネル面とを有する複数のプリズムとなり、
前記フレネルレンズの平面から内部に入射した光が、前記フレネル面で屈折して前記スクリーンに出射する背面投写型表示装置であって、
第nのフレネル面で出射せず反射した光が、前記ライズ面及びフレネル面を屈折しながら透過していき、第(n−i)のライズ面で反射した後、前記フレネルレンズの光源側の平面から外部に出射するよう、前記ライズ面の傾きが形成されていることを特徴とする背面投写型表示装置。
A screen, a light source, and a Fresnel lens disposed between the screen and the light source,
The light source side of the Fresnel lens is a plane, and the screen side of the Fresnel lens is a plurality of prisms having a rise surface and a Fresnel surface,
The rear projection display device in which light incident inside from the plane of the Fresnel lens is refracted by the Fresnel surface and emitted to the screen,
The light reflected without being emitted from the nth Fresnel surface passes through the refracting surface and the Fresnel surface while being refracted, reflected by the (n−i) th rising surface, and then on the light source side of the Fresnel lens. A rear projection display device, wherein the rise surface is inclined so as to be emitted from a flat surface to the outside.
前記フレネル面で出射せず反射した光が、前記ライズ面に全反射角以上で入射して、前記ライズ面で全反射した光が、前記平面へ全反射角未満で入射するようになっていることを特徴とする請求項1に記載の背面投写型表示装置。 The light reflected without being emitted from the Fresnel surface is incident on the rise surface at a total reflection angle or more, and the light totally reflected on the rise surface is incident on the plane with a total reflection angle less than the total reflection angle. The rear projection display device according to claim 1 . スクリーンと、光源と、当該スクリーンと当該光源との間に配置されるフレネルレンズとを備え、
前記フレネルレンズの光源側は平面となり、前記フレネルレンズのスクリーン側は、ライズ面とフレネル面とを有する複数のプリズムとなり、
前記フレネルレンズの平面から内部に入射した光が、前記フレネル面で屈折して前記スクリーンに出射する背面投写型表示装置に用いられるフレネルレンズであって、
第nのフレネル面で出射せず反射した光が、前記ライズ面及びフレネル面を屈折しながら透過していき、第(n−i)のライズ面で反射した後、前記平面から外部に出射するよう、前記ライズ面の傾きが形成されていることを特徴とするフレネルレンズ。
A screen, a light source, and a Fresnel lens disposed between the screen and the light source,
The light source side of the Fresnel lens is a plane, and the screen side of the Fresnel lens is a plurality of prisms having a rise surface and a Fresnel surface,
A Fresnel lens used in a rear projection display device in which light incident inside from the plane of the Fresnel lens is refracted by the Fresnel surface and emitted to the screen,
The light reflected without being emitted from the n-th Fresnel surface is transmitted while being refracted by the rise surface and the Fresnel surface, and after being reflected by the (ni) rise surface , exits from the plane to the outside. As described above, an inclination of the rise surface is formed.
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