KR100525134B1 - 프레넬 렌즈, 스크린, 화상표시장치, 렌즈 성형틀제조방법 및 렌즈 제조방법 - Google Patents

프레넬 렌즈, 스크린, 화상표시장치, 렌즈 성형틀제조방법 및 렌즈 제조방법 Download PDF

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Abstract

입사각(a)의 입사광선(Li1)을 2회의 굴절에 의해 출사각(f)의 출사광선(l01)으로서 출사시키는 굴절형 프리즘부(3A)와, 입사각(a)의 입사광선(Li2)을 굴절, 전반사 및 굴절에 의해 출사광선(l01)과 평행한 출사광선(Lo2)으로서 출사시키는 전반사형 프리즘부(4A)를 함께 가지는 하이브리드형 프리즘부를 가지는 피치를 구비한다.

Description

프레넬 렌즈, 스크린, 화상표시장치, 렌즈 성형틀 제조방법 및 렌즈 제조방법{Fresnel Lens, Screen, Image Display Device, Lens Mold Manufacturing Method, and Lens Manufacturing Method}
본 발명은, 빛의 입출사점간 거리를 거의 필요로 하지 않고, 볼록 렌즈와 동등한 작용을 하는 프레넬 렌즈에 관한 것이다. 또 본 발명은, 프레넬 렌즈를 적용한 배면 투영형의 스크린과, 이 스크린을 적용한 화상표시장치에 관한 것이고, 또한 렌즈 성형틀 제조방법 및 렌즈 제조방법에 관한 것이다.
배면 투영형의 프로젝션 TV로 대표되는 화상표시장치에는, 화상 광원으로부터 발한 화상광이 투영되는 스크린이 설치된다. 일반적으로, 이 화상표시장치의 스크린은, 화상광을 산란시켜서 화상을 형성하는 광 확산판으로서의 렌티큘러와, 화상광원으로부터의 화상광을 굴절시켜서 렌티큘러로 거의 평행하게 출사되는 프레넬 렌즈를 조합시켜서 구성된다.
도1은 종래의 프레넬 렌즈의 개관을 도시하는 도이다.
도1에 있어서, 101은 경사에서 본 프레넬 렌즈, 102는 프레넬 렌즈(101)의 단면형상, 103는 프레넬 렌즈(101)의 광축, 104는 프레넬 렌즈(101)의 피치마다 성형된 프리즘부이다.
프레넬 렌즈(101)는, 광축(103)을 중심으로 해서 회전성형된 금형(렌즈 성형틀)에 합성 수지를 부어 넣고, 합성 수지가 경화된 후에 금형(렌즈 성형틀)을 떼어내면 완성된다. 완성된 프레넬 렌즈(101)의 일면에는, 광축(103)을 중심으로 해서 동심원상의 고리띠가 복수개 성형되어 있다. 단면형상(102)을 보면 알 수 있는 바와 같이, 이 동심원상의 고리띠는 복수의 프리즘부(104)이다.
즉, 프레넬 렌즈(101)에서는, 단면형상(102)의 톱니형의 프리즘부(104)가 피치 주기로 각각 성형되어 있다. 실제의 프레넬 렌즈(101)의 1피치 폭은 0.1mm정도이며, 프레넬 렌즈(101)를 통해 투영되는 화상의 최소화소와 비교해도 미소한 크기이다.
프레넬 렌즈(101)는 전체로 1매의 볼록 렌즈로서 작용하고, 프리즘부(104)를 얇게 구성할 수 있기 때문에, 프레넬 렌즈(101)의 입출사광의 입사점과 출사점의 거리를 거의 필요로 하지 않고, 광선의 방향을 변화시킬 수 있다.
그런데, 화상표시장치에서는, 스크린의 프레넬 렌즈(101)에 대해서 될 수 있는 한 비스듬히 화상광을 투영하는 것이 자주 행하여진다. 이것은 화상표시장치의 안 깊이를 짧게 하기 위해서이며, 이것에 의해 화상표시장치를 박형화 할 수 있다.
도2는 종래의 프레넬 렌즈를 스크린에 적용한 화상표시장치의 구성을 도시하는 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도2에 있어서 111은 빛을 발하는 발광체(조명광원수단), 112는 발광체(111)를 초점에 구비하는 포물면 거울(조명광원수단), 113은 포물면 거울(112)이 반사한 빛을 집광하는 집광렌즈(집광광학수단), 114는 액정 등의 라이트 밸브(광변조수단)이다. 라이트 밸브(114)는, 집광렌즈(113)가 집광한 빛을 표시내용에 따라서 공간적으로 강도 변조한다.
115는 라이트 밸브(114)가 강도 변조한 빛을 결상 시키는 투영광학렌즈(투영광학수단), 116은 투영광학렌즈(115)가 결상한 빛을 배면에서 수광하여 화상을 표시하는 배면 투영형의 스크린이다. 스크린(116)은, 넓어진 광선을 거의 평행광으로 한 뒤에 결상시켜서 화상을 표시하고, 넓은 범위로 빛을 확산시켜서 시야범위를 넓히는 작용을 한다.
스크린(116)에 있어서, 117이 상술한 프레넬 렌즈이며, 118은 렌티큘러이다.
프레넬 렌즈(117)는, 투영광학렌즈(115)로부터의 빛을 입사면(117A)으로 수광하고, 각 피치마다의 프리즘부(117B)를 통해 소정의 출사각으로 광선을 출사한다. 즉, 프레넬 렌즈(117)는, 투영광학렌즈(115)로 넓어진 빛을 거의 평행화하기 위해 이용하고 있다. 렌티큘러(118)는, 프레넬 렌즈(117)로부터의 출사광을 결상 시킨 뒤에 확산한다.
119는 광축이다. 광축(119)은 포물면 거울(112), 집광렌즈(113), 라이트 밸브(114), 투영광학렌즈(115), 프레넬 렌즈(117) 및 렌티큘러(118)에 의해 공유되어 있고, 프레넬 렌즈(117)의 입사면(117A)과 직교하고 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
포물면 거울(112)의 초점에 설치된 발광체(111)는 대부분 점광원으로 간주할 수 있기 때문에, 발광체(111)가 발한 빛은 포물면 거울(112)에 반사되어 대체로 평행광으로서 집광렌즈(113)로 향한다. 집광렌즈(113)가 라이트 밸브(114)로 평행광을 집광하면, 라이트 밸브(114)는 표시내용에 따라서 빛을 공간적으로 강도 변조한다.
강도 변조된 빛은, 투영광학렌즈(115)에 의해 스크린(116)에 광각으로 배면투영되어 결상된다. 투영광에 포함되는 각 광선과 광축(119)이 이루는 각은 투영각이다. 도2에 도시하는 바와 같이, 프레넬 렌즈(117)의 각 피치에 대한 투영각은 각각 다르지만, 투영광학렌즈(115)나 스크린(116)의 크기로 보면 피치 길이는 미소한 길이이기 때문에, 동일 피치로 입사하는 복수의 광선은 대체로 평행광으로 간주할 수 있다.
입사면(117A)의 법선(m11)과 각 입사광선이 이루는 각은 입사각이다. 2개의 평행선(광축(119), 법선(m11))에 교차하는 직선(각 광선)이 만들어 내는 엇각의 관계에서 입사각과 투영각은 동일하기 때문에, 광축(119)에 가까운 광선일수록 입사각이 작고, 광축(119)으로부터 멀어진 광선일수록 입사각이 크다. 특히, 스크린(116)의 최단 피치로 향하는 광선은 최대 입사각으로 입사한다.
이 최대 입사각, 즉 투영광학렌즈(115)의 최대 투영각과, 투영광학렌즈(115)로부터 스크린(116)까지의 투영거리에 따라 스크린(116)의 크기가 결정된다. 반대로, 스크린(116)의 크기가 규정되어 있는 경우에는, 최대 투영각을 크게 할수록 투영거리를 짧게 할 수 있다. 따라서, 광축(119) 방향의 거리를 짧게 한 광학계 시스템을 구성할 수 있고, 화상표시장치를 박형화할 수 있다.
프레넬 렌즈(117)는, 입사면(117A)에 의해 각각의 입사각으로 수광한 광선을 각 피치의 프리즘부(117B)를 통해 렌티큘러(118)에 소정 출사각으로 출사한다. 이 출사각은 프레넬 렌즈(117)의 광축(119)에 평행한 직선과 출사 광선이 이루는 각이며, 통상은 0°에서 몇 도의 미소각도이다. 즉, 프레넬 렌즈(117)의 출사광선과 광축(119)의 관계는 거의 평행이 된다(도2에서는 출사각 0°). 물론, 프레넬 렌즈(117)의 빛의 투과율(입사광 파워 대 출사광 파워비)은 높은 쪽이 좋고, 투과율이 높을수록 밝은 화상을 표시할 수 있다.
렌티큘러(118)는 프레넬 렌즈(117)의 각 프리즘부(117B)로부터 빛을 수광하고, 투영광학렌즈(115)에 의해 라이트 밸브(114)상의 표시내용을 결상시킨 뒤에, 이용자의 방향(도2의 스크린(116)의 우측)으로 빛을 확산한다. 화상표시장치의 이용자는 결상점으로부터의 확산광을 화상으로 인지한다. 렌티큘러(118)에 의해 빛이 확산되어 있기 때문에, 이용자는 어느 정도의 시야범위에서 필요한 밝기를 가진 화상을 인지할 수 있다.
이상과 같이, 투영광학렌즈(115)의 최대 투영각이 클수록, 바꿔 말하면, 프레넬렌즈(117)에의 최대 입사각이 클수록, 투영거리를 짧게 한 박형의 화상표시장치를 이용자에게 제공할 수 있다.
스크린(116)의 크기가 사양 등으로부터 결정되어 있는 경우, 투영광학렌즈(115)나 다른 광학적 구성에 의해 큰 최대 투영각을 실현하더라도, 최대 투영각의 광선을 프레넬 렌즈(117)가 수광할 수 없으면, 투영거리를 짧게 할 수 없다. 결론으로서, 프레넬 렌즈(117)의 설계에서는, 될 수 있는 한 큰 입사각의 입사광을 고투과율로 출사할 수 있도록 하는 것이 포인트의 하나이다.
다음에 종래의 프레넬 렌즈의 각종 원리에 대해서 기술한다.
도3A, 도3B는 종래의 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이며, 도3A는 입사각이 작은 경우, 도3B는 입사각이 큰 경우를 도시하고 있다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도3A, 도3B에 있어서, 121은 프레넬 렌즈, 121A는 프레넬 렌즈(121)의 피치마다 성형된 굴절형 프리즘부이다.
121B는 굴절형 프리즘부(121A)의 입사면이며, 평면형상으로 성형되어 프레넬 렌즈(121)의 도시하지 않은 광축과 직교하고 있다. 121C는 굴절형 프리즘부(121A)의 출사면, 121Z는 입사면(121B) 및 출사면(121C)과 함께 굴절형 프리즘부(121A)를 성형하는 무효면이다. 여기에서는 빛의 입출사에 무효면(121Z)은 관계하지 않는다.
또, Li는 입사면(121B)에의 입사광선, Lr는 입사면(121B)에서의 반사광선, Lt는 입사면(121B)에서 굴절되어 굴절형 프리즘부(121A) 내부를 투과하는 투과광선, Lo는 출사면(121C)에서 굴절되어 공기중으로 출사되는 출사광선이다. m12, m13은 각각 입사면(121B), 출사면(121C)의 법선이다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
도3A에 있어서, 굴절률 1의 공기중에서 굴절률(n)(n>1)의 프레넬 렌즈(121)로 법선(m12)과 실입사각(a)을 이루어 입사광선(Li)이 도달하면, 입사광선(Li)은 굴절각(χ)의 투과광선(Lt) 및 반사각(a)의 반사광선(Lr)으로 입사면(121B)에서 분리된다. 반사광선(Lr)은 프레넬 렌즈(121)의 손실이 된다.
입사면(121B)에서 굴절하여 굴절형 프리즘부(121A)를 투과하는 투과광선(Lt)은, 법선(m13)과 각도(ψ)를 이루어 출사면(121C)에 도달한다. 투과광선(Lt)의 일부는 반사광선(도시하지 않음)이 되고, 나머지는 출사면(121C)으로부터 출사각(f)의 출사광선(Lo)으로서 출사한다.
이상과 같이 해서, 프레넬 렌즈(121)는, 입사각(a)의 입사광선(Li)을 출사각(f)의 방향으로 절곡하고 있다. 평면형상의 입사면(121B)에 의해 빛을 수광하기 때문에, 높은 수광효율을 실현할 수 있는 점에 프레넬 렌즈(121)의 특장이 있다.
입사각이 작아지면 입사면의 투과율은 증가해서 반사율이 감소하고, 반대로 입사각이 커지면 입사면의 투과율은 감소해서 반사율이 증가하는 것이 광학이론으로 잘 알려져 있다. 따라서, 도3B와 같이 입사각(a)이 커지면, 투과광선(Lt)의 비율이 감소하는 동시에 반사광선(Lr)의 비율이 증가하고, 프레넬 렌즈(121)의 투과율은 감소해 버린다.
즉, 프레넬 렌즈(121)의 투과율에는 입사각 의존성이 있어, 입사각(a)이 커질수록 투과율이 감소해 버린다. 또한, 크기가 규정되어 있는 스크린에 적용할 경우에는, 화상표시장치의 박형화를 최대 입사각의 한계에서 제약해 버리게 된다.
굴절형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈에는, 다음에 도시하는 바와 같이, 도3A, 도3B의 굴절형 프리즘부(121A)의 입사측과 출사측을 교체한 구성도 있다.
도4A, 도4B는 종래의 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이며, 도4A는 입사각이 작은 경우, 도4B는 입사각이 큰 경우를 도시하고 있다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도4A, 도4B에 있어서, 131은 프레넬 렌즈, 131A는 프레넬 렌즈(131)의 피치마다 성형된 굴절형 프리즘부이다.
131B는 굴절형 프리즘부(131A)의 입사면, 131C는 굴절형 프리즘부(131A)의 출사면, 131Z는 입사면(131B) 및 출사면(131C)과 함께 굴절형 프리즘부(131A)를 성형하는 무효면이다. 출사면(131C)은 평면형상으로 성형되어 프레넬 렌즈(131)의 도시하지 않은 광축과 직교하고 있다. 무효면(131Z)은 빛을 수광하지만 출사면(131C)로부터의 빛의 출사에 관계하지 않는다.
또, Li는 입사면(131B)에의 입사광선, Lr는 입사면(131B)에서의 반사광선, Lt는 입사면(131B)에서 굴절되어 굴절형 프리즘부(131A) 내부를 투과하는 투과광선, Lo는 출사면(131C)에서 굴절되어 공기중으로 출사되는 출사광선, Le는 무효면(131Z)에서 수광되는 무효광선이다. m14, m15는 각각 출사면(131C), 입사면(131B)의 법선이다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
도4A에 있어서, 굴절률 1의 공기중에서 굴절률(n)(n>1)의 프레넬 렌즈(131)에 법선(m14)과 입사각(a)을 이루어 입사광선(Li)이 도달하면, 입사광선(Li)은 법선(m15)과 실입사각(b)을 이루어 입사면(131B)으로 입사되고, 굴절각(χ)의 투과광선(Lt) 및 반사각(b)의 반사광선(Lr)으로 분리된다. 반사광선(Lr)은 프레넬 렌즈(131)의 손실이 된다.
입사면(131B)에서 굴절되어 굴절형 프리즘부(131A)를 투과하는 투과광선(Lt)은, 법선(m14)과 각도(ψ)를 이루어 출사면(131C)에 도달한다. 투과광선(Lt)의 일부는 반사광선(도시하지 않음)이 되고, 나머지는 출사면(131C)으로부터 출사각(f)의 출사광선(Lo)으로서 출사한다.
또, 무효면(131Z)에서 수광된 무효광선(Le)은, 출사각(f)과 다른 각도로 출사면(131C)으로부터 출사되기 때문에, 프레넬 렌즈(131)의 손실이 된다.
이상과 같이 해서, 프레넬 렌즈(131)는, 입사각(a)의 입사광선(Li)을 출사각(f)의 방향으로 절곡하고 있다. 평면 형상의 출사면(131C)을 구비하고 있기 때문에, 스크린에 적용할 경우, 출사면(131C)에 렌티큘러를 일체 성형할 수 있는 점에 프레넬 렌즈(131)의 특장이 있다.
그러나, 프레넬 렌즈(121)와 같은 이유에 의해, 도4B와 같이, 입사각(a)이 커지면 입사면(131B)에 있어서의 반사광선(Lr)의 비율이 증가해 버리고, 동시에, 무효면(131Z)에서 수광되는 무효광선의 영역(도4A, 도4B의 사선부분)이 커져버린다. 결과로서, 손실이 커지고, 프레넬 렌즈(131)의 투과율은 감소해 버리게 된다.
따라서, 프레넬 렌즈(121)와 같이, 프레넬 렌즈(131)의 투과율에는 입사각 의존성이 있어, 입사각이 커질수록 투과율이 감소해 버린다.
이상과 같이, 굴절형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈는 입사각이 커지면 투과율이 저하해 버린다. 또, 크기가 규정된 스크린에 적용할 경우에는, 화상표시장치의 박형화를 제약하는 요인이 된다.
굴절형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈의 이상의 단점을 해소하고, 큰 입사각에 대해서 고투과율을 실현한 종래의 프레넬 렌즈에 대해서 다음에 설명한다.
도5A, 도5B는 종래의 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이며, 도5A는 입사각이 큰 경우, 도5B는 입사각이 작은 경우이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도5A, 도5B에 있어서, 141은 프레넬 렌즈, 141A는 프레넬 렌즈(141)의 피치마다 성형된 전반사형 프리즘부이다.
141B는 전반사형 프리즘부(141A)의 입사면, 141C는 전반사형 프리즘부(141A)의 전반사면, 141D는 입사면(141B) 및 전반사면(145C)과 함께 전반사형 프리즘부(141A)를 성형하는 출사면이다. 출사면(141D)은 평면형상으로 성형되어 프레넬 렌즈(141)의 도시하지 않은 광축과 직교하고 있다. 전반사면(141C)에서는, 고굴절률 매질로부터 저굴절률 매질로 입사하는 빛이 임계각보다 큰 입사각으로 전반사하는 현상을 이용하고 있다.
또, Li는 입사면(141B)에의 입사광선, Lt1은 입사면(141B)에서 굴절되어 전반사면(141C)으로 투과하는 투과광선, Lt2는 전반사면(141C)에서 전반사하여 출사면(141C)으로 투과하는 투과광선, Lo는 출사면(141D)에서 굴절되어 공기중으로 출사되는 출사광선, Le는 입사면(141B)에서 수광되는 무효광선이다. m16, m17, m18은 각각 출사면(141D), 입사면(141B), 전반사면(141C)의 법선이다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
도5A에 있어서, 굴절률 1의 공기중에서 굴절률(n)(n>1)의 프레넬 렌즈(141)에 법선(m16)과 입사각(a)을 이루어 입사광선(Li)이 도달하면, 입사광선(Li)은 법선(m17)과 실입사각(b)을 이루어 입사면(141B)으로 입사되고, 굴절각(χ)의 투과광선(Lt1) 및 반사광선(도시하지 않음)으로 분리된다. 입사면(141B)의 반사광선은 프레넬 렌즈(141)의 손실이 된다.
입사면(141B)에서 굴절되어 전반사형 프리즘부(141A)를 투과하는 투과광선(Lt1)은, 법선(m18)이 이루는 각이 임계각보다 큰 각도로 전반사면(141C)에 도달하고, 전반사면(141C)에서 전반사해서 투과광선(Lt2)이 된다. 전반사 현상을 이용해서 광로를 절곡하고 있기 때문에 전반사면(141C)으로부터 출사되는 광선은 존재하지 않고, 전반사면(141C)에 있어서의 손실은 거의 없다.
전반사면(141C)에서 전반사된 투과광선(Lt2)은 법선(m16)과 각도(ψ)(도5A에서는 0°)를 이루어 출사면(141D)으로 도달한다. 투과광선(Lt2)의 일부는 반사광선(도시하지 않음)이 되고, 나머지는 출사면(141D)으로부터 출사각(f)(도5A에서는 0°)의 출사광선(Lo)으로서 출사한다.
굴절형 프리즘부(121A, 131A)를 각각 구비한 프레넬 렌즈(121, 131)는 굴절현상에 의해 광로를 절곡하기 때문에, 광로를 크게 절곡하기 위해서는 큰 실입사각(a, b)으로 입사광선(Li)을 수광할 필요가 있다. 이 때문에, 입사면(121B, 131B)에 있어서의 반사광선(Lr)의 비율이 증가하고, 투과율 감소의 요인이 되고 있다.
이에 대해서, 전반사형 프리즘부(141A)를 구비한 프레넬 렌즈(141)는, 광로의 절곡을 전반사현상에 의해 행하고 있기 때문에 굴절현상에 의한 광로 절곡의 정도를 적게 할 수 있다. 따라서, 입사면(141B)에 대해서 작은 실입사각(b)으로 입사광선(Li)을 입사할 수 있고, 반사율의 증가를 억제해서 고투과율을 달성하고 있다.
이상과 같이, 전반사형 프리즘부(141A)를 구비한 프레넬 렌즈(141)는, 프레넬 렌즈(121, 131)와는 달리, 큰 입사각에 대해서 고투과율을 실현할 수 있는 점에 특장이 있다.
그렇지만, 프레넬 렌즈(141)는, 도5B와 같이 입사각(a)이 작아지면, 입사면(141B)에서 수광된 입사광선(Li)이 감소해서 전반사면(141C)에서 전반사되는 투과광선(Lt2)의 비율이 감소하고, 무효광선(Le)(도5B의 사선부분)이 발생한다.
무효광선(Le)은 전반사형 프리즘부(141A) 내부를 투과하더라도 전반사면(141C)에서 전반사되지 않는 광선이기 때문에, 프레넬 렌즈(141)의 손실이 된다. 즉, 프레넬 렌즈(141)의 투과율에도 입사각 의존성이 있어, 큰 입사각(a)에 대응하는 것은 가능하지만, 작은 입사각(a)의 경우에 투과율이 감소해 버린다.
종래의 프레넬 렌즈는 이상과 같이 구성되어 있기 때문에, 투과율의 입사각 의존성이 크다고 하는 과제가 있었다.
즉, 최대 투영각 이상으로 비스듬히 투영된 화상광의 일부에 대해서는, 종래의 프레넬 렌즈에서는 원하는 방향으로 편향시킬 수 없고, 투과율이 낮았다.
여기에서, 종래의 프레넬 렌즈에 대해서 또 한번 간단히 설명한다.
도6은 종래의 프레넬 렌즈로 화상광이 비스듬히 투영된 경우를 도시하는 도이며, 종래의 프레넬 렌즈의 부분 단면도를 나타내고 있다.
도6에 있어서, 100은 굴절형 프리즘부를 각 피치에 구비한 종래의 프레넬 렌즈, 100a는 프레넬 렌즈(l00)의 입광측에 있는 입사면, 100b는 프레넬 렌즈(100)의 입광측에 있는 무효면, 100c는 프레넬 렌즈(100)의 출광측에 있는 출사면, R1in은 입사면(100a)으로 입사되는 광속, R2in은 무효면(100b)으로 입사되는 광속이다.
도6의 프레넬 렌즈(100)는, 입사면(100a)으로 입사되는 경사에서의 광속(R1in)을 편향하고, 출사면(100c)으로부터 광속(R1out)으로서 출사되는 미소한굴절형 프리즘부를 단위 프리즘부로서 구비하고 있다.
그러나, 입사면(100a)이외의 무효면(100b)으로 입사되는 광속(R2in)은, 원하는 방향으로 출사되지 않고서 미광이 되어버려, 이 광속(R2in)을 유효하게 이용할 수 없고, 투과율이 낮았다.
전반사를 이용해서 빛을 편향시키는 전반사형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈는, 이러한 과제를 해결하는 수단으로서 제안된 것이다.
예를 들면 일본국 특허 공개 소61-52601호 공보에는, 굴절형 프리즘부와 전반사형 프리즘부를 교대로 배치한 프레넬 렌즈가 제안되어 있다. 또, 일본국 특허 공개 소62-19837호 공보에는, 1개의 단위 프리즘부 안에 굴절을 이용하는 부분과 전반사를 이용하는 부분을 설치한 프레넬 렌즈가 제안되어 있다.
그렇지만, 일본국 특허 공개 소65-52601호 공보에 기재되어 있는 프레넬 렌즈에서는, 굴절형 프리즘부가 유효하게 기능하지 않는 영역에도 굴절형 프리즘부가 존재하고, 또 반대로 전반사형 프리즘부가 유효하게 기능하지 않는 영역에도 전반사형 프리즘부가 존재하고 있다. 따라서, 원하는 방향으로 출광되지 않는 빛이 여전히 많다고 하는 과제가 있다.
한편, 일본국 특허 공개 소62-19837호 공보에 기재되어 있는 프레넬 렌즈는 그 단면형상이 다각형 형상이며, 프레넬 렌즈를 성형하기 위한 렌즈 성형틀을 제조할 때에 특수한 형상의 바이트 등이 필요하게 되어버려, 렌즈 성형틀의 제조가 곤란해져 버린다. 나아가서는 프레넬 렌즈 자체의 제조도 용이하게 행할 수 없게 된다.
또, 종래의 프레넬 렌즈는, 배면 투영형의 스크린에 적용했을 경우에, 스크린 화상의 밝기에 얼룩이 생겨버린다고 하는 과제가 있다.
즉, 굴절형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈를 스크린에 적용하면, 큰 투영각에 대응할 수 없기 때문에, 스크린의 주연부의 밝기가 저하해 버리고, 또 화상표시장치의 박형화를 제약해 버린다.
또, 전반사형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈를 스크린에 적용하면, 작은 투영각에 대응할 수 없기 때문에, 스크린 화상의 광축 근방의 밝기가 저하해 버린다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 투과율의 입사각 의존성을 경감시킨 프레넬 렌즈를 구성하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은, 화상 밝기의 얼룩을 억제하고, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응할 수 있는 스크린과, 이 스크린을 적용한 화상표시장치를 구성하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 상기의 프레넬 렌즈의 렌즈 성형틀을 제조하기 위한 렌즈 성형틀 제조방법과, 이 렌즈 성형틀 제조방법을 이용한 렌즈 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 종래의 프레넬 렌즈의 개관을 도시하는 도이다.
도2는 종래의 프레넬 렌즈를 스크린에 적용한 화상표시장치의 구성을 도시하는 도이다.
도3A 및 도3B는 종래의 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도4A 및 도4B는 종래의 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도5A 및 도5B는 종래의 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도6은 종래의 프레넬 렌즈로 화상광이 비스듬히 투영된 경우를 도시하는 도이다.
도7은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 프레넬 렌즈의 1피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도8은 굴절형 프리즘부, 전반사형 프리즘부 및 하이브리드형 프리즘부의 입사각에 대한 투과율의 변화 모양을 도시하는 도이다.
도9는 실시 형태 1에서 나타낸 프레넬 렌즈의 무효광선을 설명하기 위한 도이다.
도10은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 프레넬 렌즈의 1피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도11은 실시 형태 1에서 나타낸 하이브리드형 프리즘부의 투과율과, 종래의 기술에서 나타낸 굴절형 프리즘부의 투과율을 비교하는 도이다.
도12는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도13은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 프레넬 렌즈의 복수피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도14는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다.
도15는 선단인각(β)을 각각 45°, 40°, 35°로 했을 경우의 하이브리드형 프리즘부의 투과율을 도시하는 도이다.
도16은 출사각(f)을 각각 0°, 3°, 5°로 했을 경우의 하이브리드형 프리즘부의 투과율을 도시하는 도이다.
도17은 프레넬 렌즈를 스크린에 적용한 화상표시장치의 구성을 도시하는 도이다.
도18은 출사 광선의 출사각을 최적화하는 수법을 설명하기 위한 도이다.
도19는 출사 광선의 출사각을 최적화하는 수법을 설명하기 위한 도이다.
도20은 본 발명의 실시 형태 5에 따른 배면 투영형의 화상표시장치의 전체구성을 도시하는 도이다.
도21은 도20의 화상표시장치를 측면에서 본 경우의 도이다.
도22는 프레넬 렌즈(51)의 단면형상을 도시한 도이다.
도23A 내지 도23C는 전반사형 프리즘부(U1)와 굴절형 프리즘부(U2)를 설명하기 위한 도이다.
도24A 내지 도24C는 프레넬 렌즈(51)를 제조할 때에 이용하는 렌즈 성형틀의 특징을 각각 설명하기 위한 도이다.
도25A 내지 도25C는 프레넬 렌즈(51)를 제조할 때에 이용하는 렌즈 성형틀의 특징을 각각 설명하기 위한 도이다.
도26은 본 발명의 실시 형태 5에 따른 렌즈 성형틀 제조방법을 도시하는 플로우 챠트이다.
도27A 내지 도27D는 바이트(B)에 의한 렌즈 성형틀(C)의 절삭의 진행상황을 도시하는 도이다.
도28A 내지 도28D는 바이트(B)에 의한 렌즈 성형틀(C)의 절삭의 진행상황을 도시하는 도이다.
도29는 프레넬 렌즈(51)에 있어서의 프레넬 중심으로부터의 반경과 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 도시하는 도이다.
도30은 종래 기술에 따른 프레넬 렌즈(110)의 구성을 도시하는 도이다.
도31은 도30의 프레넬 렌즈(110)에 있어서의 전반사형 프리즘부의 렌즈 비율을 선도(L5)로 도시한 도이다.
도32는 본 실시 형태 5의 프레넬 렌즈(51) 및 종래 기술에 따른 프레넬 렌즈(110)의 투과율을 각각 도시하는 도이다.
도33A 내지 도33F는 렌즈 성형틀의 제조공정에서 발생하는 변형을 설명하기 위한 도이다.
도34는 본 발명의 실시 형태 6에 따른 렌즈 성형틀 제조방법을 도시하는 플로우 챠트이다.
도35A 내지 도35F는 도34의 렌즈 성형틀 제조방법에 따라서 절삭되어 가는 렌즈 성형틀의 상태를 도시하는 도이다.
도36은 더미 프리즘부를 구비하고 있지 않은 프레넬 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도이다.
도37은 더미 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도이다.
도38A 및 도38B는 도36의 (a)의 프레넬 렌즈와 도37의 (a)의 프레넬 렌즈의 차이를 설명하기 위한 도이다.
도39는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 프레넬 렌즈의 단면형상을 도시하는 도이다.
도40은 본 발명의 실시 형태 7에 따른 프레넬 렌즈의 단면형상을 도시하는 도이다.
도41A 및 도41B는 미광 흡수판에 있어서의 광 투과층과 광 흡수층의 적층구조의 예를 도시하는 도이다.
도42는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 프레넬 렌즈의 단면형상을 도시하는 도이다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 소정 입사각의 제1 입사광선을 제1 굴절현상 및 제2 굴절현상에 의해 소정 출사각의 제1 출사광선으로서 출사시키는 굴절형 프리즘부와, 소정 입사각의 제2 입사광선을 제3 굴절현상, 전반사현상 및 제4 굴절현상에 의해 제1 출사광선과 평행한 제2 출사광선으로서 출사시키는 전반사형 프리즘부를 함께 가지는 하이브리드형 프리즘부를 가지는 피치를 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 입사각 의존성을 경감시킨 고투과율의 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 적어도 2개 이상의 복수 피치에 하이브리드형 프리즘부를 가지고, 하이브리드형 프리즘부에 대한 굴절형 프리즘부의 비율이 각 피치마다 다르도록 한 것이다.
이것에 의해, 투과율을 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 소정의 입사각으로 입사되는 제1 입사광선을 제1 굴절현상에 의해 제1 투과광선으로 하는 제1 입사면과, 제1 투과광선을 제2 굴절현상에 의해 소정 출사각의 제1 출사광선으로 하는 평면형상의 출사면과, 제1 입사면 및 인접 피치와 접하는 무효면으로 이루어지는 단면형상을 가지는 굴절형 프리즘부와, 소정의 입사각으로 입사되는 제2 입사광선을 제3 굴절현상에 의해 제2 투과광선으로 하는 제2 입사면과, 제2 투과광선을 전반사현상에 의해 제1 투과광선과 평행한 제3 투과광선으로 하는 전반사면과, 굴절형 프리즘부의 출사면으로 이루어지는 단면형상을 가지고, 제3 투과광선을 출사면에서의 제4 굴절현상에 의해 소정 출사각의 제2 출사광선으로 하는 전반사형 프리즘부로 구성되고, 제3 투과광선이 되지 않는 일부의 제2 입사광선을 제1 입사광선으로서 수광하도록 전반사형 프리즘부에 굴절형 프리즘부를 일체화한 하이브리드형 프리즘부를 가지는 피치를 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 입사각 의존성을 경감시킨 고투과율의 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 인접 피치에 구비된 하이브리드형 프리즘부의 무효면으로 입사되는 무효광선의 방향에서 관측해서, 무효면을 차단하는 단면형상으로 제2 입사면을 성형하고, 제2 입사면의 단면형상을 보상하는 제2 입사면 보상형상으로 전반사면을 성형하도록 한 것이다.
이것에 의해, 무효영역을 감소시켜서 프레넬 렌즈의 수광효율을 증가시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 하이브리드형 프리즘부의 투과율과 굴절형 프리즘부의 투과율을 동일하게 하는 특성 변화각을 기초로 정해지는 소입사각 영역의 각 피치에는, 굴절형 프리즘부를 각각 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 소입사각 영역에 있어서의 투과율 특성을 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 하이브리드형 프리즘부의 투과율과 굴절형 프리즘부의 투과율을 동일하게 하는 특성 변화각을 기초로 정해지는 소입사각 영역의 각 피치에는, 굴절형 프리즘부를 각각 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 소입사각 영역에 있어서의 투과율 특성을 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 특성 변화각 근방의 특성 변화영역의 각 피치에 있어서, 입사각의 감소에 따라, 하이브리드형 프리즘부에 대한 굴절형 프리즘부의 혼재비율이 증가하도록 한 것이다.
이것에 의해, 소입사각 영역에 있어서의 투과율 특성을 개선하고, 특성 변화각 근방에 있어서의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 특성 변화각 근방의 특성 변화영역의 각 피치에 있어서, 입사각의 감소에 따라, 하이브리드형 프리즘부에 대한 굴절형 프리즘부의 혼재비율을 증가하도록 한 것이다.
이것에 의해, 소입사각 영역에 있어서의 투과율 특성을 개선하고, 특성 변화각 근방에 있어서의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 특성 변화각 근방의 특성 변화영역의 각 피치에 있어서, 입사각의 감소에 따라, 제2 입사면의 면적이 미감하고, 제1 입사면의 면적이 미증하는 매개 프리즘부를 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 소입사각 영역에 있어서의 투과율 특성을 개선하고, 특성 변화각에 있어서의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 특성 변화각 근방의 특성 변화영역의 각 피치에 있어서, 입사각의 감소에 따라, 제2 입사면의 면적이 미감하고, 제1 입사면의 면적이 미증하는 매개 프리즘부를 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 소입사각 영역에 있어서의 투과율 특성을 개선하고, 특성 변화각에 있어서의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제2 입사면과 출사면이 이루는 각을 둔각으로 하지 않는 범위에서, 제2 입사면과 전반사면이 이루는 선단인각을 최예각도로 하도록 한 것이다.
이것에 의해, 투과율을 더욱 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 최예각도의 선단인각에 대한 투과율과, 최예각도 이외의 선단인각에 대한 투과율이 동일해지는 입사각보다 작은 입사각 영역에서는, 선단인각을 최예각도보다 크게 하도록 한 것이다.
이것에 의해, 전입사각에 대해서 고투과율을 실현할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 하이브리드형 프리즘부의 투과율이 감소하는 입사각의 각 피치에서는, 소정 출사각을 0°보다 크게 하도록 한 것이다.
이것에 의해, 투과율을 더욱 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 직사각형 형상으로 잘라내어진 프레넬 렌즈의 4변 중에서 광축에 가장 가까운 1변과만 교차하는 경계 고리띠의 렌즈 외주측에서는 출사각을 평행하게 설정하고, 경계 고리띠의 광축측에서는 평행하게 설정된 출사각보다도 출사각을 크게 설정하도록 한 것이다.
이것에 의해, 멀티 구성한 화상표시장치의 스크린에 적용했을 때에는, 스크린내에서의 휘도 균일성을 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 빛을 흡수하는 박막의 광 흡수층을 굴절형 프리즘부가 무효면에 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 무효면에서 수광하여 프레넬 렌즈 내부에서 미광이 되는 무효광선을 흡수할 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 빛을 투과하는 복수의 광 투과층과, 광 투과층간을 프레넬 렌즈의 광축과 거의 평행하게 적층되고, 빛을 흡수하는 복수의 광 흡수층으로 구성된 미광 흡수판을 출사면에 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 프레넬 렌즈 내부에서 발생한 미광을 흡수할 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 프레넬 렌즈의 출사면에 미광 흡수판이 일체 성형되도록 한 것이다.
이것에 의해, 적은 부품 가지수로 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 프레넬 렌즈의 광축을 중심으로 해서 동심원상으로 광 투과층 및 광 흡수층이 적층되도록 한 것이다.
이것에 의해, 고스트의 경감효율을 최량으로 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 광 투과층 및 광 흡수층이 한 방향에 대해서 거의 평행하게 적층되도록 한 것이다.
이것에 의해, 미광 흡수판의 제조가 용이해져, 제조 비용을 삭감할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 빛을 흡수하는 광 흡수판을 출사면에 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 간단한 구성으로 미광을 흡수할 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 하이브리드형 프리즘부가 피치 마진을 그 피치 사이에 각각 가지고 형성되도록 한 것이다.
이것에 의해, 전반사면을 설계대로의 형상으로 할 수 있고, 프레넬 렌즈의 광학성능을 보증할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 수광에 관여하지 않는 높이를 광축방향으로 가지는 더미 프리즘부를 적어도 일부의 피치군에 연속해서 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 프리즘부 형상의 변화에 의해 생기는 제조오차의 급격한 삭감·발생을 억제하고, 투과율 등의 광학성능의 급격한 변화를 완화시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 스크린은, 제1항에 기재된 프레넬 렌즈와, 프레넬 렌즈로부터 표시내용이 부가된 출사광을 수광하고, 출사광을 결상해서 확산시키는 결상확산수단을 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 화상 밝기의 얼룩을 억제하고, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응할 수 있는 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 스크린은, 제3항에 기재된 프레넬 렌즈와, 프레넬 렌즈로부터 표시내용이 부가된 출사광을 수광하고, 출사광을 결상하여 확산시키는 결상확산수단을 구비하도록 한 것이다.이것에 의해, 화상 밝기의 불균일을 억제하여, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응할 수 있는 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 스크린은, 프레넬 렌즈의 출사면에 결상확산수단을 일체 성형하도록 한 것이다.
이것에 의해, 부품 가지수를 줄인 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 화상표시장치는, 제23항에 기재된 스크린과, 대체로 평행한 빛을 출사하는 조명광원수단과, 조명광원수단으로부터의 빛을 집광하는 집광광학수단과, 집광광학수단이 집광한 빛을 표시내용에 따라서 공간적으로 강도 변조하는 광변조수단과, 광변조수단으로 변조된 빛을 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 화상의 밝기를 향상시킨 화상표시장치를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.본 발명에 따른 화상표시장치는, 제24항에 기재된 스크린과, 대체로 평행한 빛을 출사하는 조명광원수단과, 조명광원수단으로부터의 빛을 집광하는 집광광학수단과, 집광광학수단이 집광한 빛을 표시내용에 따라서 공간적으로 강도 변조하는 광변조수단과, 광변조수단으로 변조된 빛을 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하도록 한 것이다.이것에 의해, 화상의 밝기를 향상시킨 화상표시장치를 구성할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 전반사형 프리즘부가 전반사면에서 전반사되지 않는 빛이 입사하는 제2 입사면의 일부에 부단위 프리즘부를 구비하는 동시에, 입사한 빛을 굴절시켜서 원하는 방향으로 편향시키는 제1 입사면을 구비한 굴절형 프리즘부를 부단위 프리즘부로 하도록 한 것이다.
이것에 의해, 전반사형 프리즘부가 유효하게 기능하지 않는 빛에 대해서, 부단위 프리즘부가 기능하게 되고, 프레넬 렌즈의 투과율을 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 부단위 프리즘부의 제1 입사면을 연장한 면은, 전반사형 프리즘부의 범위내에 있어서, 전반사면보다도 출광측에 있도록 한 것이다.
이것에 의해, 용이하게 제조하는 것이 가능한 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제2 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화되도록 한 것이다.
이것에 의해, 광속의 입사각도에 따라서 최적의 단위 프리즘부의 형상을 형성할 수 있고, 투과율이 높은 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제2 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화되도록 한 것이다.
이것에 의해, 광속의 입사각도에 따라서 최적의 단위 프리즘부의 형상을 형성할 수 있고, 투과율이 높은 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 굴절형 프리즘부가 프레넬 주연측에 인접한 무효면으로 입사되는 빛을 수광하는 부단위 프리즘부를 제1 입사면에 구비하고, 빛을 수광하는 제2 입사면과, 제2 입사면에서 수광한 빛을 전반사해서 원하는 방향으로 편향시키는 전반사면을 구비한 전반사형 프리즘부를 부단위 프리즘부로 하도록 한 것이다.
이것에 의해, 굴절형 프리즘부가 유효하게 기능하지 않는 빛에 대해서, 부단위 프리즘부가 기능하게 되고, 프레넬 렌즈의 투과율을 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 부단위 프리즘부의 제2 입사면을 연장한 면은, 굴절형 프리즘부의 범위내에 있어서, 무효면보다도 출광측에 있도록 한 것이다.
이것에 의해, 용이하게 제조하는 것이 가능한 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제1 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화되도록 한 것이다.
이것에 의해, 광속의 입사각도에 따라서 최적의 단위 프리즘부의 형상을 형성할 수 있고, 투과율이 높은 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제1 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화되도록 한 것이다.
이것에 의해, 광속의 입사각도에 따라서 최적의 단위 프리즘부의 형상을 형성할 수 있고, 투과율이 높은 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제29항에 기재된 프레넬 렌즈를 제1 범위로 하여 구비하는 동시에, 입사한 빛을 굴절시켜 원하는 방향으로 편향하는 제1 입사면과, 제1 입사면 이외의 무효면을 갖는 굴절형 프리즘부를 입광측에 복수 나란히 배치하고, 굴절형 프리즘부가 프레넬 주연측에 인접한 무효면으로 입사하는 빛을 수광하는 부단위 프리즘부를 제1 입사면에 구비하고, 부단위 프리즘부가 빛을 수광하는 제2 입사면과, 제2 입사면에서 수광한 빛을 전반사하여 원하는 방향으로 편향하는 전반사면을 구비한 전반사형 프리즘부로 하는 제2 범위를 구비하도록 한 것이다.
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이것에 의해, 광속의 입사각도에 따라서 최적의 단위 프리즘부의 형상을 제1의 범위 또는 제2의 범위에서 선택해서 형성할 수 있고, 투과율이 높은 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
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본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 제1의 범위에 있어서의 제2 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율은, 제1의 범위와 제2의 범위의 경계에 가까울수록 많고, 경계에서 멀어질수록 적어지고, 제2의 범위에 있어서의 제1 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율은, 경계에 가까울수록 많고, 경계에서 멀어질수록 적어지도록 한 것이다.
이것에 의해, 부단위 프리즘부가 유효하게 기능하는 경계근방일수록 부단위 프리즘부의 비율이 많아지고, 투과율이 높은 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 입광측의 면에 설치된 프레넬 렌즈의 출광측의 면에, 프레넬 렌즈와 다른 제2의 프레넬 렌즈를 설치하도록 한 것이다.
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이것에 의해, 입광측의 프레넬 렌즈와 출광측의 프레넬 렌즈가 상승해서 작용하게 되고, 투과율을 더욱 향상시킨 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 입광측의 면에 설치된 프레넬 렌즈의 출광측의 면에, 프레넬 렌즈와 다른 제2의 프레넬 렌즈를 설치하도록 한 것이다.
이것에 의해, 입광측의 프레넬 렌즈와 출광측의 프레넬 렌즈가 상승해서 작용하게 되고, 투과율을 더욱 향상시킨 프레넬 렌즈를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 스크린은, 제29항에 기재된 프레넬 렌즈와, 프레넬 렌즈의 출광측의 면에 형성되어, 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광 확산수단으로 구성되도록 한 것이다.
이것에 의해, 부품 가지수를 줄이고, 화상 밝기의 얼룩을 억제하고, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응가능한 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 스크린은, 제33항에 기재된 프레넬 렌즈와, 프레넬 렌즈의 출광측면에 형성되고, 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광확산 수단으로 구성되도록 한 것이다.이것에 의해, 부품 가지수를 줄이고, 화상 밝기의 불균일을 억제하여, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응가능한 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 스크린은, 제39항에 기재된 프레넬 렌즈와, 프레넬 렌즈의 출광측에 구비되어, 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광 확산수단으로 구성되도록 한 것이다.
이것에 의해, 화상 밝기의 얼룩을 억제하고, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응가능한 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 스크린은, 제40항에 기재된 프레넬 렌즈와, 프레넬 렌즈의 출광측에 구비되어, 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광확산 수단으로 구성되도록 한 것이다.이것에 의해, 화상 밝기의 불균일을 억제하고, 작은 투영각으로부터 큰 투영각까지 대응가능한 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 화상표시장치는, 제41항 기재의 스크린과, 화상광을 발하는 화상광원과, 화상광원으로부터 발한 화상광을 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 화상의 밝기를 향상시킨 화상표시장치를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 화상표시장치는, 제42항 기재의 스크린과, 화상광을 발하는 화상광원과, 화상광원으로부터 발한 화상광을 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하도록 한 것이다.
이것에 의해, 화상의 밝기를 향상시킨 화상표시장치를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.본 발명에 따른 화상표시장치는, 제43항에 기재된 스크린과, 화상광을 발하는 화상광원과, 화상광원으로부터 발한 화상광을 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하도록 한 것이다.이것에 의해, 화상의 밝기를 향상시킨 화상표시장치를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.본 발명에 관한 화상표시장치는, 제44항에 기재된 스크린과, 화상광을 발하는 화상광원과, 화상광원으로부터 발한 화상광을 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하도록 한 것이다.이것에 의해, 화상의 밝기를 향상시킨 화상표시장치를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 렌즈 성형틀 제조방법은, 굴절형 프리즘부의 반전형상을 절삭대상 피치에 대해서 바이트로 절삭하는 주단위 프리즘부 절삭스텝과, 전반사형 프리즘부의 반전형상을 절삭대상 피치에 대해서 바이트로 절삭하는 동시에, 전반사형 프리즘부의 반전형상에 있어서의 전반사면을 연장한 면이, 절삭대상 피치와, 절삭대상 피치보다도 프레넬 중심측의 인접 피치가 이루는 곡선을 통과 또는 곡선보다도 출광측이 되도록 하는 부단위 프리즘부 절삭 스텝을 소정의 피치수만큼 반복하도록 한 것이다.
이것에 의해, 통상의 절삭공구를 이용해서 렌즈 성형틀의 제조를 용이하게 하는 것이 가능하게 되고, 또, 렌즈 성형틀의 제조정밀도를 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 렌즈 성형틀 제조방법은, 전반사형 프리즘부의 반전형상을 절삭대상 피치에 대해서 바이트로 절삭하는 주단위 프리즘부 절삭 스텝과, 굴절형 프리즘부의 반전형상을 절삭대상 피치에 대해서 바이트로 절삭하는 동시에, 굴절형 프리즘부의 반전형상에 있어서의 제1 입사면을 연장한 면이, 절삭대상 피치와, 절삭대상 피치보다도 프레넬 주연측의 인접 피치가 이루는 곡선을 통과 또는 곡선보다도 출광측이 되도록 하는 부단위 프리즘부 절삭스텝을 소정의 피치수만큼 반복하도록 한 것이다.
이것에 의해, 통상의 절삭공구를 이용해서 렌즈 성형틀의 제조를 용이하게 행하는 것이 가능하게 되고, 또, 렌즈 성형틀의 제조정밀도를 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 렌즈 성형틀 제조방법은, 프레넬 중심측으로부터 프레넬 주연측으로의 절삭진행방향으로, 전반사형 프리즘부, 굴절형 프리즘부의 순으로 피치마다 절삭을 행할 경우에는, 피치마다 피치 마진을 설정하는 피치 마진 설정 스텝을 부단위 프리즘부 절삭 스텝 전에 구비하는 동시에, 부단위 프리즘부 절삭 스텝에서는, 피치 마진분만큼 절삭진행방향으로 절삭개시위치를 옮겨서 굴절형 프리즘부를 피치마다 각각 절삭하도록 한 것이다.
이것에 의해, 굴절형 프리즘부를 절삭할 때에, 피치마다의 각 전반사형 프리즘 사이의 곡선 선단부에 발생하는 렌즈 성형틀의 변형을 막을 수 있게 되어, 렌즈 성형틀을 설계대로의 형상으로 할 수 있고, 또 렌즈 성형틀로 제조한 프레넬 렌즈의 광학성능을 보증할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 렌즈 성형틀 제조방법은, 프레넬 주연측으로부터 프레넬 중심측으로의 절삭진행방향으로, 굴절형 프리즘부, 전반사형 프리즘부의 순으로 피치마다 절삭을 행할 경우에는, 피치마다 피치 마진을 설정하는 피치 마진 설정 스텝을 부단위 프리즘부 절삭 스텝 전에 구비하는 동시에, 상기 부단위 프리즘부 절삭 스텝에서는, 피치 마진분만큼 절삭진행방향으로 절삭개시위치를 옮겨서 전반사형 프리즘부를 피치마다 각각 절삭하도록 한 것이다.
이것에 의해, 전반사형 프리즘부를 절삭할 때에, 피치마다의 각 굴절형 프리즘 사이의 곡선 선단부에 발생하는 렌즈 성형틀의 변형을 막을 수 있게 되어, 렌즈 성형틀을 설계대로의 형상으로 할 수 있고, 또 렌즈 성형틀로 제조한 프레넬 렌즈의 광학성능을 보증할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
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본 발명에 따른 렌즈 성형틀 제조방법은, 수광에 관여하지 않는 높이를 광축방향으로 가지는 더미 프리즘부의 반전형상을 적어도 일부의 피치군에 연속해서 절삭하도록 한 것이다.
이것에 의해, 프리즘부 형상의 변화에 의해 생기는 제조오차의 급격한 삭감·발생을 억제하고, 투과율 등의 광학성능의 급격한 변화를 완화시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 렌즈 제조방법은, 제49항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 수지가 경화되면, 경화된 수지로부터 렌즈 성형틀을 떼어내서 렌즈를 형성하도록 한 것이다.
이것에 의해, 고정밀도의 프레넬 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 렌즈 제조방법은, 제50항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 수지가 경화되면, 경화된 수지로부터 렌즈 성형틀을 떼어내서 렌즈를 형성하도록 한 것이다.이것에 의해, 고정밀도의 프레넬 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.본 발명에 따른 렌즈 제조방법은, 제51항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 수지가 경화되면, 경화된 수지로부터 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하도록 한 것이다.이것에 의해, 고정밀도의 프레넬 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.본 발명에 따른 렌즈 제조방법은, 제52항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 수지가 경화되면, 경화된 수지로부터 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하도록 한 것이다.이것에 의해, 고정밀도의 프레넬 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.본 발명에 따른 렌즈 제조방법은, 제53항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 수지가 경화되면, 경화된 수지로부터 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하도록 한 것이다.이것에 의해, 고정밀도의 프레넬 렌즈를 용이하게 제조할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해서 첨부한 도면을 따라 설명한다.
실시 형태 1.
도7은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 프레넬 렌즈의 1피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다. 여기서, 단면 형상이란, 프레넬 렌즈의 광축을 포함하는 면에 따라 프레넬 렌즈를 절단했을 경우의 프리즘부의 절단면의 형상을 의미하고 있다.
도7에 있어서, 1은 본 실시 형태 1의 프레넬 렌즈, 2는 프레넬 렌즈(1)의 피치마다 성형된 하이브리드형 프리즘부, 3A는 굴절형 프리즘부, 4A는 전반사형 프리즘부, 5는 하이브리드형 프리즘부(2)의 출사면이다. 출사면(5)은 평면형상으로 성형되어 프레넬 렌즈(1)의 도시하지 않은 광축과 직교하고 있다. 굴절형 프리즘부(3A)와 전반사형 프리즘부(4A)는, 출사면(5)을 공유하여 하이브리드형 프리즘부(2)를 구성하고 있다.
굴절형 프리즘부(3A)에 있어서, 3B는 굴절형 프리즘부(3A)의 입사면(제1 입사면), 3Z는 입사면(3B) 및 출사면(5)과 함께 굴절형 프리즘부(3A)를 성형하는 무효면이다. 무효면(3Z)은 빛을 수광하지만 출사면(5)으로부터의 빛의 출사에 관계하지 않는다.
전반사형 프리즘부(4A)에 있어서, 4B는 전반사형 프리즘부(4A)의 입사면(제2 입사면), 4C는 입사면(4B) 및 출사면(5)과 함께 전반사형 프리즘부(4A)를 성형하는 전반사면이다. 전반사면(4C)에서는, 고굴절률 매질로부터 저굴절률 매질로 입사하는 빛이 임계각보다 큰 입사각으로 전반사되는 현상을 이용하고 있다. 또, 입사면(4B)에 의해 차단되어 공기중으로부터의 빛은 전반사면(4C)으로 입사되지 않는다.
Li1은 공기중에서 입사면(3B)으로 입사되는 입사광선(제1 입사광선), Lt1은 입사광선(Li1)의 입사면(3B)에서의 굴절(제1 굴절현상)에 의해 출사면(5)으로 투과하는 투과광선(제1 투과광선), Lo1은 투과광선(Lt1)의 출사면(5)에서의 굴절(제2 굴절현상)에 의해 공기중으로 출사되는 출사광선(제1 출사광선)이다.
Li2는 공기중에서 입사면(4B)으로 입사되는 입사광선(제2 입사광선), 1t2는 입사광선(Li2)의 입사면(4B)에서의 굴절(제3 굴절현상)에 의해 전반사면(4C)으로 투과하는 투과광선(제2 투과광선), Lt3은 투과광선(Lt2)의 전반사면(4C)에서의 전반사(전반사현상)에 의해 출사면(5)으로 투과하는 투과광선(제3 투과광선), Lo2는 투과광선(Lt3)의 출사면(5)에서의 굴절(제4 굴절현상)에 의해 공기중으로 출사되는 출사광선(제2 출사광선)이다.
또, m1은 입사면(3B)의 법선, m2는 입사면(4B)의 법선, m3은 전반사면(4C)의 법선, m4는 출사면(5)의 법선이다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
도7에 있어서, 굴절률 1의 공기중에서 굴절률(n)(n>1)의 프레넬 렌즈(1)로 입사광선(Li1, Li2)이 입사각(a)으로 각각 도달하면, 입사광선(Li1)은 굴절형 프리즘부(3A)의 입사면(3B)에 의해, 입사광선(Li2)은 전반사형 프리즘부(4A)의 입사면(4B)에 의해 각각 수광된다.
우선, 입사면(3B)에서 수광된 입사광선(Li1)에 대해서 생각한다.
입사광선(Li1)은 법선(m1)과 실입사각(b1)을 이루어 입사면(3B)으로 입사되고, 법선(m1)과 굴절각(χ1)을 이루는 투과광선(Lt1) 및 반사광선(도시하지 않음)으로 분리된다. 입사면(3B)의 반사광선은 프레넬 렌즈(1)의 손실이 된다.
입사면(3B)에서 굴절되어 굴절형 프리즘부(3A)를 투과하는 투과광선(Lt1)은, 법선(m4)과 각도(ψ)를 이루어 출사면(5)에 도달한다. 투과 광선(Lt1)의 일부는 반사광선(도시하지 않음)이 되고, 나머지는 출사면(5)으로부터 출사각(f)의 출사광선(Lo1)으로서 출사한다.
한편, 입사면(4B)에서 수광된 입사광선(Li2)은, 법선(m2)과 실입사각(b2)을 이루어 입사면(4B)으로 입사되고, 법선(m2)과 굴절각(χ2)를 이루는 투과광선(Lt2) 및 반사광선(도시하지 않음)으로 분리된다. 입사면(4B)의 반사광선은 프레넬 렌즈(1)의 손실이 된다.
입사면(4B)에서 굴절되어 전반사형 프리즘부(4A)를 투과하는 투과광선(Lt2)은, 법선(m3)과의 이루는 각이 임계각보다 큰 각도 90°-d로 전반사면(4C)으로 도달하고, 전반사면(4C)에서 전반사하여 투과광선(Lt3)이 된다. 이 때에, 투과 광선(Lt3)과 투과광선(Lt1)이 평행의 관계가 되도록 전반사면(4C)은 설계되어 있다. 전반사의 현상을 이용해서 광로를 절곡하고 있기 때문에 전반사면(4C)으로부터 출사되는 광선은 존재하지 않고, 전반사면(4C)에 있어서의 손실은 거의 없다.
전반사면(4C)에서 전반사된 투과광선(Lt3)은 법선(m4)과 각도(ψ)를 이루어 출사면(5)에 도달한다. 투과광선(Lt3)의 일부는 반사광선(도시하지 않음)이 되고, 나머지는 출사면(5)으로부터 출사각(f)의 출사광선(1o2)으로서 출사된다. 투과 광선(Lt1, Lt3)이 평행하기 때문에, 출사광선(Lo1, Lo2)도 평행하게 출사된다.
이상과 같이, 프레넬 렌즈(1)는, 굴절형 프리즘부(3A)와 전반사형 프리즘부(4A)를 조합한 하이브리드형 프리즘부(2)를 구비한 구성이 되어 있다. 즉, 도5B에서 설명한 무효광선(Le)(사선부분)을 입사면(3B)에 의해 수광시키도록, 굴절형 프리즘부(3A)를 전반사형 프리즘부(4A)에 성형한 하이브리드형 프리즘부(2)를 프레넬 렌즈(1)의 복수피치에 구비하도록 하고 있다. 무효광선(Le)은 이를테면, 전반사면(4C)에 의해 전반사되지 않기 때문에 투과 광선(Lt3)이 되지 않는 입사면(4B)에의 입사광선(Li2)의 일부이며, 전반사형 프리즘부의 손실이 되어버리는 무효광선(Le)을 굴절형 프리즘부(3A)에 의해 수광시키고 있다.
평면형상의 출사면(5)에 대해서 입사각(a)과 출사각(f)이 정해지면, 출사면(5)과 입사면(3B)이 이루는 각(γ)은 굴절의 법칙에 따라서 정해지고, 또, 입사각(a), 출사각(f)에 더해서 전반사면(4C)과 입사면(4B)이 이루는 선단인각(β)이 정해지면, 출사면(5)과 전반사면(4C)이 이루는 각(a)은 굴절의 법칙·전반사의 법칙에 따라서 결정된다. 선단인각(β)은, 하이브리드형 프리즘부(2)가 고투과율을 실현하도록 입사각에 대해서 최적치로 한다. 또한, 출사면(5)과 무효면(3Z)이 이루는 각은, 프레넬 렌즈(1) 제조 시에 금형(렌즈 성형틀)의 발취를 할 수 있는 각도(도7에서는 90°)로 한다.
작은 입사각(a)의 경우에 고투과율을 나타내는 굴절형 프리즘부(3A)와, 큰 입사각(a)의 경우에 고투과율을 나타내는 전반사형 프리즘부(4A)를 조합한 하이브리드형 프리즘부(2)에 의해 프레넬 렌즈(1)를 구성하고 있기 때문에, 광범위한 입사각(a)에 대해서 양호한 투과율을 가질 수 있도록 되어 있다.
본 실시 형태 1의 효과를 구체적으로 이해하기 위해서, 도7을 기초로 해서 투과율의 해석을 한다.
굴절형 프리즘부(3A)의 투과율(TX), 전반사형 프리즘부(4A)의 투과율(TY)을 구하면, 각각 수학식 1, 수학식 2와 같이 된다.
<굴절형 프리즘부(3A)의 투과율(TX)>
[수학식 1]
TX=[tan(α-d)/{tan(α-d)-tan(α+β)}]×{1-tan(γ)×tan(a)}×[1-{(n-1)/(n+1)}2]×[1-0.5×(PX2+QX2)]
단,
PX=tan[a+γ-sin-1{(1/n)×sin(a+γ)}]÷tan[a+γ+sin-1{(1/n)×sin(a+γ)}]
QX=sin[a+γ-sin-1{(1/n)×sin(a+γ)}]÷sin[a+γ+sin-1{(1/n)×sin(a+γ)}]이다.
<전반사형 프리즘부(4A)의 투과율(TY)>
[수학식 2]
TY= [tan(α)/{tan(α) -tan(α+β)} -tan(α-d)/ {tan(α-d) -tan(α+β)}]×{1-tan(α+β)×tan(a)}×[1-{(n-1)/(n+1)}2]×[1-0.5×(PY2+QY2)]
단,
PY=tan[b-sin-1{(1/n)×sin(b)}]÷tan[b+sin-1{(1/n)×sin(b)}]
QY=sin[b-sin-1 {(1/n)×sin(b)}]÷sin[b+sin-1 {(1/n)×sin(b)}]
이다.
하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율(Tall)은, 투과율(TX)과 투과율(TY)의 합으로서 구해지고, 수학식 3과 같이 된다.
<하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율(Tall)>
[수학식 3]
Tall=TX+TY
수학식 1 내지 수학식 3을 기초로 하여, 입사각(a)에 대한 각 투과율(TX, TY, Tall)의 변화의 모습을 도8에 도시한다. 계산조건은, 출사각(f)=0°, 선단인각(β)=45°, 굴절률(n)=1.5로 하고 있다.
도8에서는, 가로축은 입사각(a)을 도 단위로, 세로축은 투과율을 백분률 단위로 각각 나타내고 있다. 또, 굴절형 프리즘부(3A)의 투과율(TX)을 파선으로, 전반사형 프리즘부(4A)의 투과율(TY)을 일점 쇄선으로, 하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율(Tall)을 실선으로 나타내고 있다.
도8에 있어서, 입사각(a)이 대략 40°이상인 영역에서는, 전반사형 프리즘부(4A)의 투과율(TY)은 90% 이상의 높은 값을 나타내고 있다. 또, 입사각(a)이 40°에서 작아져 가면 투과율(TY)은 급격하게 감소하고, 전반사형 프리즘부(4A)의 입사각 의존성을 나타내고 있는 것을 이해할 수 있다.
한편, 이 투과율(TY)의 특성에 반해서, 굴절형 프리즘부(3A)의 투과율(TX)은 입사각(a)이 작아질수록 증가하는 특성을 나타내고 있고, 굴절형 프리즘부(3A)의 입사각 의존성이 나타나 있다.
이러한 2개의 상이한 입사각 의존성을 가지는 굴절형 프리즘부(3A), 전반사형 프리즘부(4A)로 하이브리드형 프리즘부(2)가 구성되어 있기 때문에, 도8의 투과율(Tall)이 도시하는 바와 같이, 입사각 40°이상의 영역에서는 90% 이상의 값을 나타내고, 입사각 40°이하의 영역에 있어서도, 전반사형 프리즘부(4A)의 투과율의 감소를 굴절형 프리즘부(3A)가 보상하기 때문에, 입사각 0°내지 90°의 전영역에 걸쳐서, 적어도 60% 정도의 전반사율(Tall)을 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태 1에 따르면, 입사각(a)의 입사광선(Li2)을 실입사각(b2)으로 수광하고, 투과광선(Lt2)으로서 굴절시키는 입사면(4A)과, 투과광선(Lt2)을 임계각보다 큰 각도로 수광하여 투과광선(Lt3)으로서 전반사하는 전반사면(4C)과, 투과광선(Lt3)을 굴절시켜서 출사각(f)의 출사광선(Lo2)을 출사하는 출사면(5)으로 이루어지는 단면형상의 전반사형 프리즘부(4A)와, 전반사형 프리즘부(4A)의 출사면(5)과, 전반사형 프리즘부(4A)의 무효광선의 일부를 소정의 실입사각(b1)의 입사광선(Li1)으로서 수광하고, 투과광선(Lt3)과 평행한 투과광선(Lt1)으로서 굴절시키는 입사면(3B)과, 출사면(5) 및 입사면(3B)과 교차하는 무효면(3Z)으로 이루어지는 단면형상의 굴절형 프리즘부(3A)를 구비한 하이브리드형 프리즘부(2)를 가지는 피치를 구비하도록 했기 때문에, 입사각 의존성을 경감시킨 고투과율의 프레넬 렌즈(1)를 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 1에서 나타낸 하이브리드형 프리즘부(2)를 프레넬 렌즈의 전피치에 구비하도록 할 필요는 없고, 종래의 굴절형 프리즘부(131A)나 전반사형 프리즘부(141A)와 병용하도록 해도 좋다. 예를 들면, 프레넬 렌즈의 전피치를 입사각의 크기에 따라서 3개의 피치군으로 나누고, 제1 피치군에 굴절형 프리즘부(131A), 제2 피치군에 하이브리드형 프리즘부(2), 제3 피치군에 전반사형 프리즘부(141A)를 각각 성형하도록 해도 좋다. 이와 같이, 하이브리드형 프리즘부(2)와 다른 종래의 프리즘부를 병용한 프레넬 렌즈를 구성함으로써, 입사각에 따라 최적의 프리즘부를 선택할 수 있고, 고투과율의 프레넬 렌즈의 입사각 의존성을 더욱 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있고, 전면에 걸쳐 밝은 화면을 가지는 화상표시장치를 제공할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
실시 형태 2.
실시 형태 1에서 나타낸 프레넬 렌즈(1)에서는, 무효면(3Z)에서 수광되는 무효광선이 존재한다. 무효광선은 출사면(5)으로부터 출사각(f)으로 출사되지 않기 때문에, 프레넬 렌즈(1)의 손실이 되어버린다. 본 실시 형태 2에서는, 이 무효광선을 감소시키는 수법에 대해서 설명한다.
도9는 실시 형태 1에서 나타낸 프레넬 렌즈(1)의 무효광선을 설명하기 위한 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다. 도7과 동일 또는 상당하는 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도9에 있어서, Lie는 무효면(3Z)이나 인접피치의 무효면(3Z-1)에 의해 수광되는 무효광선, 사선을 그은 영역(E1)은 무효광선(Lie)의 광속이 통과하는 무효영역, Lte는 무효면(3Z)에서 굴절되어 프레넬 렌즈(1)를 투과하는 무효광선(Lie)의 투과광선, Loe는 출사면(5)에서 굴절되어 출사각(f1)(≠f)으로 공기중으로 출사되는 투과광선(Lte)의 출사광선이다.
도9를 보면 알 수 있는 바와 같이, 무효광선(Lie)은 무효면(3Z)에서 굴절되어 투과광선(Lte)이 되고, 출사면(5)에서 굴절되어 출사각(f1)의 출사광선(Loe)이 된다. 즉, 무효영역(E1)을 통과해서 무효면(3Z)에서 수광되는 무효광선(Lie)은, 출사각(f)으로 출사되지 않기 때문에, 프레넬 렌즈(1)의 손실이 되어버린다.
그래서, 본 실시 형태 2에서는, 다음의 도10에 도시하는 단면형상을 피치마다 가지는 프레넬 렌즈에 의해 무효광선을 감소시키고 있다.
도10은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 프레넬 렌즈의 1피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다. 도7, 도9와 동일 또는 상당하는 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도10에 있어서, 6은 본 실시 형태 2의 프레넬 렌즈, 7은 프레넬 렌즈(6)의 하이브리드형 프리즘부이며, 실시 형태 1의 하이브리드형 프리즘부(2)와 마찬가지로, 굴절형 프리즘부(3A)를 구비하고 있다.
8A는 굴절형 프리즘부(3A)와 함께 하이브리드형 프리즘부(7)를 성형하는 전반사형 프리즘부, 8B는 전반사형 프리즘부(8A)의 입사면(제2 입사면), 8C는 전반사형 프리즘부(8A)의 전반사면, 9는 하이브리드형 프리즘부(7)의 평면형상의 출사면, 3Z-1은 전반사형 프리즘부(8A) 측의 인접피치에 성형된 굴절형 프리즘부의 무효면, 8B-2는 굴절형 프리즘부(3A) 측의 인접피치에 성형된 전반사형 프리즘부의 입사면이다. 또, E2는 무효광선(Lie)의 광속이 통과하는 무효영역, E3은 무효영역(E1)에서 무효영역(E2)을 제거한 유효영역(즉, E1=E2+E3의 관계가 성립한다)이다.
입사면(8B)은, 무효광선(Lie)의 방향에서 봐서 인접 피치의 무효면(3Z-1)의 일부를 차단하는 단면형상으로 성형되어 있다. 따라서, 도9의 무효영역(E1)을 통과하는 무효광선(Lie) 중 유효영역(E3)을 통과하는 광선은 무효면(3Z-1)으로 수광되지 않고, 입사면(8B)에 의해 입사광선(Li2)으로서 수광된다. 이 결과, 무효 영역(E1)이 무효영역(E2)으로 감소하고 있는 것을 제l0도로부터 이해할 수 있다.
인접피치의 무효면(3Z-1)으로 향하는 무효광선(Lie)을 차단하기 위해서 입사면(8B)의 단면형상을 곡선상으로 하고 있기 때문에, 입사면(8B)에 있어서의 굴절각은 입사광선(Li2)의 광로마다 각각 다르다. 그래서, 전반사면(8C)은, 이 다른 굴절각의 투과광선(Lt2)을 모두 전반사해서 투과광선(Lt3)으로 하고, 또한 굴절형 프리즘부(3A)의 입사면(3B)에서 굴절된 투과광선(Lt1)과 투과광선(Lt3)을 평행하게 하는 곡선상의 단면형상(제2 입사면 보상형상)으로 성형되어 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
굴절형 프리즘부(3A)를 통과하는 광선에 대해서는 실시 형태 1과 동일한 동작이므로 설명을 생략한다.
입사면(8B)에서 굴절된 투과광선(Lt2)은, 전반사면(8C)에서 전반사되어 투과광선(Lt3)으로서 출사면(9)으로 향한다. 전반사면(8C)의 형상은, 투과광선(Lt2)을 전반사한 투과광선(Lt3)이 입사면(3B)으로부터의 투과광선(Lt1)과 평행이 되도록 설계되어 있기 때문에, 투과광선(Lt1)과 마찬가지로, 투과광선(Lt3)은 출사면(9)에서 굴절되어 출사각(f)의 출사광선(Lo2)으로서 출사된다.
이와 같이, 전반사형 프리즘부(8A) 측의 인접피치의 무효면(3Z-1)으로 수광될 예정인 무효광선(Lie)의 일부(유효영역(E3))를, 입사면(8B)에 의해 입사광선(Li2)으로서 수광하고 있기 때문에, 무효영역(E1)을 무효영역(E2)으로 감소시켜, 하이브리드형 프리즘부(7)의 수광효율을 증가시킬 수 있다.
하이브리드형 프리즘부(7)의 무효면(3Z)은, 굴절형 프리즘부(3A) 측의 인접피치의 입사면(8B-2)에 의해 무효광선의 방향에서 봐서 차단되어 있다. 도시하지 않은 다른 피치에 있어서도 마찬가지이고, 무효영역(Ei)이 전체적으로 감소해서 프레넬 렌즈(6) 전체의 수광효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태 2에 따르면, 전반사형 프리즘부(8A) 측의 인접 피치의 무효면(3Z-1)을 무효광선(Lie)의 방향에서 봐서 차단하는 입사면(8B)과, 입사면(8B)에서 굴절된 모든 투과광선(Lt2)을 전반사해서 투과광선(Lt1)과 평행한 투과광선(1t3)으로 하는 전반사면(8C)을 전반사형 프리즘부(8A)에 구비하도록 했기 때문에, 무효영역(E1)을 감소시켜서 프레넬 렌즈(6)의 수광효율을 증가시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 프레넬 렌즈(6)는 경화된 합성 수지로부터 금형(렌즈 성형틀)을 발취하여 완성되기 때문에, 전반사형 프리즘부(8A)의 단면형상은 금형의 발취를 할 수 있게 한다.
또, 본 실시 형태 2는, 하이브리드형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈에 한정되는 것이 아니라, 종래의 전반사형 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈에 적용하는 것도 가능하다.
실시 형태 3.
실시 형태 1에서는, 굴절형 프리즘부(3A)와 전반사형 프리즘부(4A)를 구비한 하이브리드형 프리즘부(2)를 프레넬 렌즈(1)에 성형하고, 도8의 투과율을 실현했지만, 고입사각 영역과 비교하면 소입사각 영역에서의 특성은 약간 낮은 것이었다.
본 실시 형태 3에서는, 소입사각 영역의 투과율을 개선하는 수법에 대해서 설명한다.
도11은 실시 형태 1에서 나타낸 하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율과, 종래의 기술에서 나타낸 굴절형 프리즘부(131A)의 투과율을 비교하는 도이다.
도8과 마찬가지로, 도11의 가로축, 세로축은 각각 입사각(a) [단위:도], 투과율 [단위:백분률]이다. 하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율은 실선으로, 굴절형 프리즘부(131A)의 투과율은 일점 쇄선으로 각각 나타내고 있다.
제4도에서 설명한 프레넬 렌즈(131)는, 소입사각 영역에 있어서 양호한 투과율을 가지고 있기 때문에, 도11로부터도 알 수 있는 바와 같이, 하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율과 비교해서, 굴절형 프리즘부(131A)의 투과율은 특성 변화각(a0)보다 낮은 입사각 영역에서 높은 투과율을 나타내고 있다. 특성 변화각(a0)은 하이브리드형 프리즘부, 굴절형 프리즘부 쌍방의 투과율이 일치한 점에서의 입사각이다.
그래서, 본 실시 형태 3에서는, 하이브리드형 프리즘부(2)를 구비한 프레넬 렌즈(1)에 굴절형 프리즘부(131A)를 이하에 도시하는 바와 같이 적용하고, 소입사각 영역에서의 투과율을 개선한다.
도12는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도12에 있어서, 10은 실시 형태 3의 프레넬 렌즈, 11A, 11B는 실시 형태 1에서 나타낸 프레넬 렌즈(1)의 하이브리드형 프리즘부, 12A, 12B는 종래의 기술에서 나타낸 프레넬 렌즈(131)의 굴절형 프리즘부, 13은 프레넬 렌즈(10)의 평면형상의 출사면, m5는 출사면(13)의 법선이다.
Li3 내지 Li6은 제 각기 각 프리즘부(11A, 11B, 12A, 12B)에의 입사광선이며, 법선(m5)과 입사각(a1 내지 a4)을 각각 이루고 있다.
특성 변화각(a0)도 포함한 각 입사각의 대소관계는 a1 > a2 ≥a0 > a3 > a4(또는 a1 > a2 > a0 ≥a3 > a4)이다. 따라서, 프리즘부(11A)의 상방향(도12의 상방)에 프레넬 렌즈(10)의 최단부가 있고, 프리즘부(12B)의 하방향(도12의 하방)에 프레넬 렌즈(10)의 광축이 존재한다.
프레넬 렌즈(10)의 최단부에서 하이브리드형 프리즘부(11B)까지의 각 피치에는 하이브리드형 프리즘부가 각각 성형되어 있고, 굴절형 프리즘부(12A)로부터 프레넬 렌즈(10)의 광축까지의 각 피치에는 굴절형 프리즘부가 각각 성형되어 있다.
즉, 도12의 프레넬 렌즈(10)에서는, 입사각a≥a0(또는 a>a0)이 되는 피치에는 하이브리드형 프리즘부(11A, 11B)를 적용하고, a0>입사각a(또는 a0≥a)이 되는 피치에는 굴절형 프리즘부(12A, 12B)를 적용하고 있다.
특성 변화각(a0)을 프리즘부의 단면형상의 변화점으로 하고, 특성 변화각(a0)보다도 작은(또는 이하의) 소입사각 영역의 각 피치에서는 굴절형 프리즘부(11A, 11B)를, 특성 변화각(a0)보다도 큰(또는 이상의) 대입사각 영역의 각 피치에서는 하이브리드형 프리즘부(12A, 12B)를 구비하도록 하고 있기 때문에, 프레넬 렌즈(10)의 투과율은 특성 변화각(a0)보다도 낮은 입사각 영역에서 도11의 프레넬 렌즈(131)의 특성에, 특성 변화각(a0)보다도 낮은 입사각 영역에서 도11의 프레넬 렌즈(1)의 특성이 되고, 실시 형태 1의 프레넬 렌즈(1)보다도 소입사각 영역의 투과율을 높게 할 수 있다.
또, 특성 변화각(a0) 근방의 투과율 변화를 원활하게 하기 위해서, 다음과 같이 해도 좋다.
도13은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도13에 있어서, 14는 실시 형태 3의 프레넬 렌즈, 15C 내지 15H는 각각 실시 형태1에서 나타낸 프레넬 렌즈(1)의 하이브리드형 프리즘부, 16C 내지 16F는 종래의 기술에서 나타낸 프레넬 렌즈(131)의 굴절형 프리즘부, 17은 프레넬 렌즈(14)의 평면형상의 출사면, m6은 출사면(17)의 법선이다.
Li7 내지 Li16은 제 각기 각 프리즘부(15C, 15D, 15E, 16C, 15F, 15G, 16D, 15H, 16E, 16F)에의 입사광선이며, 법선(m6)과 입사각(a5 내지 a14)을 각각 이루고 있다.
각 입사각의 대소관계는, a5>a6>…a13>a14이다. 따라서, 하이브리드형 프리즘부(15C)의 상방향(도13의 상방)에 프레넬 렌즈(14)의 최단부가 있고, 굴절형 프리즘부(16F)의 하방향(도13의 하방)에 프레넬 렌즈(14)의 광축이 존재한다.
프레넬 렌즈(14)의 최단부에서 하이브리드형 프리즘부(15C)까지의 각 피치에는 하이브리드형 프리즘부가 각각 성형되고 있고, 굴절형 프리즘부(16F)로부터 프레넬 렌즈(14)의 광축까지의 각 피치에는 굴절형 프리즘부가 각각 성형되어 있다.
도13의 프레넬 렌즈(14)에서는, 특성 변화각(a0) 근방의 입사각(특성 변화영역)에 상당하는 각 피치에 있어서, 입사각의 감소와 함께, 하이브리드형 프리즘부에 대한 굴절형 프리즘부의 개수의 비율(혼재비율)을 단계적으로 증가시키도록 하고 있다.
예를 들면 입사각(a10)과 입사각(a11)의 사이에 특성 변화각(a0)이 있는 것으로 한다. 이 때, 도13과 같이, 프리즘부(15C 내지 15E) 및 프리즘부(16C)까지는 3:1의 혼재비율, 프리즘부(15F 내지 15G) 및 프리즘부(16D)까지는 2:1의 혼재비율, 프리즘부(15H) 및 프리즘부(16E)까지는 1:1의 혼재비율로 특성 변화각(a0) 근방의 입사각의 프리즘부를 성형하고 있다.
이와 같이, 특성 변화각(a0) 근방의 입사각에 상당하는 특성 변화영역의 각 피치에서는, 하이브리드형 프리즘부(15C 내지 15H)와 굴절형 프리즘부(16C 내지 16F)를 단계적으로 혼재시키고, 하이브리드형 프리즘부에 대한 굴절형 프리즘부의 혼재비율을 입사각의 감소와 함께 서서히 증가하도록 하고 있기 때문에, 도12의 프레넬 렌즈(10)와 비교하면, 도13의 프레넬 렌즈(14)는 특성 변화각(a0) 근방의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다.
물론, 각 입사각의 대소관계에 대한 특성 변화각(a0)의 할당이나, 특성 변화영역의 피치수, 혼재비율 등은 프레넬 렌즈(14)의 사양에 따라서 정하도록 하면 된다.
또한, 특성 변화각(a0) 근방의 투과율 변화를 다음과 같이 해서 원활하게 할 수도 있다.
도14는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 프레넬 렌즈의 복수 피치에 있어서의 단면형상을 확대한 도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도14에 있어서, 18은 실시 형태 3의 프레넬 렌즈, 19A는 프레넬 렌즈(18)의 하이브리드형 프리즘부, 19B 내지 19D는 프레넬 렌즈(18)의 하이브리드형 프리즘부(매개 프리즘부), 19E는 굴절형 프리즘부, 19A-1 내지 19D-1은 하이브리드형 프리즘부(19A 내지 19D)를 구성하는 전반사형 프리즘부의 입사면, 19A-2 내지 19D-2는 하이브리드형 프리즘부(19A 내지 19D)를 구성하는 굴절형 프리즘부의 입사면, 19E-2는 굴절형 프리즘부(19E)의 입사면, 20은 프레넬 렌즈(18)의 평면형상의 출사면, m7은 출사면(20)의 법선이다.
Li17 내지 Li21은 제 각기 각 하이브리드형 프리즘부(19A 내지 19D), 굴절형 프리즘부(19E)에의 입사광선이며, 법선(m7)과 입사각(a15 내지 a19)을 각각 이루고 있다.
21B 내지 21D는 입사각(a16 내지 a18)에 각각 대응한 실시 형태 1의 하이브리드형 프리즘부이며, 전반사면(21B-i 내지 21D-1, 입사면 21B-2 내지 21D-2)을 각각 구비하고 있다. 본 실시 형태 3의 하이브리드 프리즘부(19B 내지19D)와 대조하기 위해서, 일점 쇄선으로 도시하고 있다.
각 입사각의 대소관계는, a15>a16>a17>a18>a19이다. 따라서, 하이브리드형 프리즘부(19A)의 상방향(도14의 상방)에 프레넬 렌즈(18)의 최단부가 있고, 굴절형 프리즘부(19E)의 하방향(도14의 하방)에 프레넬 렌즈(18)의 광축이 존재한다.
프레넬 렌즈(18)의 최단부에서 하이브리드형 프리즘부(19A)까지의 각 피치에는 실시 형태 1의 하이브리드형 프리즘부가 각각 성형되어 있고, 굴절형 프리즘부(19E)로부터 프레넬 렌즈(18)의 광축까지의 각 피치에는 종래의 굴절형 프리즘부가 각각 성형되어 있다.
도14의 프레넬 렌즈(18)에서는, 특성 변화각(a0) 근방의 입사각(특성 변화영역)에 상당하는 각 피치에 있어서, 입사각에 대해서 소정의 각도를 유지한 채 입사면(19B-1 내지 19D-1)의 면적을 미감하도록 하고 있고, 또한 입사광에 대해서 소정의 각도를 유지한 채 입사면(19B-2 내지 19D-2)의 면적을 미증하도록 하고 있다.
즉, 도14에 있어서, 면적의 대소관계는, 입사면(19B-1)>입사면(19C-1)>입사면(19D-1), 입사면(19B-2)<입사면(19C-2)<입사면(19D-2)가 되어 있고, a16 내지 a18과 입사각이 감소함에 따라, 전반사형 프리즘부의 입사면 면적은 입사면(19B-1), 입사면(19C-1), 입사면(19D-1)로 미감하고, 굴절형 프리즘부의 입사면 면적은 입사면(19B-2), 입사면(19C-2), 입사면(19D-2)으로 미증하고 있다.
즉, 특성 변화각(a0)이 a16에서 a18의 사이로 하면(a16 내지 a18에 상당하는 3피치가 특성 변화영역의 피치), 입사각이 a16에서 a18로 감소함에 따라, 입사면 (19B-1 내지 19D-1)의 면적을 미감하고, 입사면(19B-2 내지 19D-2)의 면적을 미증시키도록 하고 있다.
이와 같이 함으로써, 하이브리드형 프리즘부(19A)는, 하이브리드형 프리즘부(19B 내지 19D)를 통해 굴절형 프리즘부(19E)로 단계적으로 변화되기 때문에, 특성 변화각(a0) 근방의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다.
이 때에, 입사광선(Li18 내지 Li20)에 대한 입사면(19B-1 내지 19D-1) 및 입사면(19B-2 내지 19D-2)의 소정의 각도는, 프레넬 렌즈(18)의 사양에 따라서 정하도록 해도 좋다.
또, 예를 들면, 입사면(19B-1 내지 19D-1)은 하이브리드형 프리즘부(21B 내지 21D)의 입사면(21B-2 내지 21B-D)과 각각 평행으로 해서 미감시키고(도14의 흰색 화살표), 입사면(19B-2 내지 19D-2)은 하이브리드형 프리즘부(21B 내지 21D)의 굴절형 프리즘부의 입사면을 그대로 이용해서 면적을 미증시키도록 해도 좋다.
또한, 여기에서는, 3개의 하이브리드형 프리즘부(19B 내지 19D)를 매개 프리즘부로서 이용해서 설명했지만, 매개 프리즘부의 개수(즉 특성 변화영역의 피치수)는 특별히 한정되지 않는다.
더욱이, 입사면(19B-1 내지 19D-1), 입사면(19B-2 내지 19D-2)의 면적 미증량·면적 미감량은 특별히 한정되지 않고, 특성이 좋아지도록 정하면 된다.
이상과 같이, 본 실시 형태 3에 따르면, 특성 변화각(a0)을 경계로 하여, 특성 변화각(a0)보다 큰(또는 이상의) 입사각에 상당하는 각 피치에서는 하이브리드형 프리즘부를, 특성 변화각(a0)보다 작은(또는 이하의) 입사각에 상당하는 각 피치에서는 굴절형 프리즘을 각각 성형하도록 했기 때문에, 입사각 영역에 있어서의 투과율을 개선할 수 있는다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 3에 따르면, 특성 변화각(a0) 근방의 특성 변화영역의 각 피치에 있어서, 하이브리드형 프리즘부(15C 내지 15H)에 대한 굴절형 프리즘부(16C 내지 16F)의 혼재비율을 입사각의 감소에 따라서 증가하도록 했기 때문에, 소입사각 영역에 있어서의 투과율을 개선하고, 특성 변화각(a0) 근방의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시 형태 3에 따르면, 특성 변화각(a0) 근방의 특성 변화영역의 각 피치에 있어서, 입사각의 감소와 함께, 입사면(19B-1 내지 19D-1)의 면적을 미감시키고, 입사면(19B-2 내지 19D-2)의 면적을 미증시킨 하이브리드형 프리즘부(19B 내지 19D)를 구비하도록 했기 때문에, 소입사각 영역에 있어서의 투과율을 개선하고, 특성 변화각(a0) 근방의 투과율 변화를 원활하게 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 3을 실시 형태 2에 적용하도록 해도 좋다.
실시 형태 4
본 실시 형태 4에서는, 실시 형태 1에서 기술한 하이브리드형 프리즘부(2)의 선단인각(β) 및 출사각(f)의 최적치에 대해서 기술한다.
우선, 입사면(4B)과 전반사면(4C)이 이루는 선단인각(β)의 최적치에 대해서 기술한다.
도15는 선단인각(β)을 각각 45°(실선), 40°(이점 쇄선), 35°(파선)으로 한 경우의 하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율(Tall)을 도시하는 도이다.
β=45°(도8의 경우)와 비교하면, a=약 40°이상의 대입사각 영역에서는, β=40°, 35° 어느 경우나 투과율은 동등(90% 이상)한 특성을 나타내고 있다.
그러나, β=45°의 경우에는 a=약 40°이하에서 투과율이 감소하게 된다. 한편, β=45°의 경우와 비교하여, β=40°의 투과율(Tall)은 a=약 35°의 소입사각 영역까지 90% 이상의 고투과율을 나타내고 있는 것을 도15로부터 알 수 있다. 또한, β=35°의 경우에는 이 경향이 더욱 현저해지고, 고투과율 영역은 a=약 30°까지 넓어져 있다.
즉, a=약 40°이하의 소입사각 영역에서는, 선단인각(β)의 값을 될 수 있는 한 작은 각도로 함으로써, 투과율(Tall)의 입사각 의존성을 경감시키고, 광범위한 입사각에 대해서 고투과율을 실현할 수 있다.
또한, 도15에 있어서, 선단인각(β)의 값을 40°나 35°로 하면, a=약 15°이하의 영역에서 60%이하의 투과율이 되어버리지만, 이 a=약 15°이하의 영역에 상당하는 피치의 하이브리드형 프리즘부(2)에서는, 선단인각(β)을 예를 들면 45°로 크게 하면, 투과율의 저하를 보상할 수 있다.
즉, 입사각(a)=약 15°에 있어서, 40°일 때의 선단인각(β)의 투과율과, 45°의 선단인각(β)의 투과율이 동일해지고, 입사각(a)=약 15°이상과 입사각(a)=약 15°이하의 영역에서 양자의 투과율의 고저관계가 역전되어 있기 때문에, a=15° 내지 90°의 영역에서는 β=40°, a=0° 내지 15°의 영역에서는 β=45°로 함으로써, a=15°내지 90°에서 β=40°의 특성(도15의 이점 쇄선)과, a=0° 내지 15°에서 β=45°의 특성(도15의 실선)을 조합한 투과율을 실현할 수 있다.
또, 실시 형태 3에서 기술한 수법을 이용해서 투과율의 저하를 보상하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 굴절형 프리즘부의 특성(도15의 일점 쇄선)과 예를 들면 β=40°의 하이브리드형 프리즘부의 특성을 조합한 투과율이 된다.
이와 같이, 실시 형태 1의 프레넬 렌즈(1)를 설계할 때에는, 하이브리드형 프리즘부(2)의 선단인각(β)을 입사각의 값에 따라서 될 수 있는 한 예각으로 하는 것이 바람직하다. 단, 선단인각(β)을 너무 작게 하면, 입사각(a)의 값이 큰 경우에 도7의 입사면(4B)과 출사면(5)이 이루는 각이 둔각이 되고, 프레넬 렌즈(1) 제조시에 금형(렌즈 성형틀)의 발취가 불가능한 형상이 되어버리기 때문에, 이 점에 유의해서, 선단인각(β)을 입사각(a)의 값에 따라서 최적치로 설정한다.
바꿔 말하면, 하이브리드형 프리즘부(2)의 선단인각(β)을 프레넬 렌즈(1)의 제조성을 손상시키지 않는 범위에서 될 수 있는 한 예각(최예각도)으로 설정함으로써, 투과율을 더욱 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 또, 최예각도의 선단인각(β)의 투과율보다도 최예각도 이외의 선단인각(β)의 투과율 쪽이 커지는 입사각 영역에서는, 최예각도보다도 선단인각(β)을 크게 함으로써, 입사각 전영역에 걸쳐서 고투과율을 실현할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
그 다음에, 출사광선의 출사각(f)의 최적치에 대해서 기술한다.
도16은 출사각(f)을 각각 0°(실선), 3°(이점 쇄선), 5°(파선)로 했을 경우의 하이브리드형 프리즘부(2)의 투과율(Tall)을 도시하는 도이다.
도16으로부터, a=약 40°이상의 대입사각 영역에서는, f=0°, 3°, 5°의 어느 경우나 투과율은 동등(90% 이상)한 특성을 나타내고 있다. 또, a=약 40°이하의 소입사각 영역에서는, f=0°보다도 f=3°의 경우에, 또한 f=3°보다도 f=5°의 경우에 투과율(Tall)이 개선되어 있다.
따라서, 출사각(f)에 관해서는, a=약 40°이하의 소입사각 영역에서 출사각(f)을 크게 함으로써 투과율(Tall)을 개선할 수 있다.
소입사각 영역에서 출사각(f)을 크게 하면, 다음에 도시하는 바와 같은 효과도 얻을 수 있다.
도17의 (a) 및 (b)는 프레넬 렌즈(1)를 스크린에 적용한 화상표시장치의 구성을 도시하는 도이며, 도17의 (a)는 측면에서 본 구성도, 도17의 (b)는 화상표시장치의 정면도이다. 화살표는 광선을 나타내고 있다.
도17의 (a)에 있어서, 31은 빛을 발하는 발광체(조명광원수단), 32는 발광체(31)를 초점에 구비하는 포물면 거울(조명광원수단), 33은 포물면 거울(32)이 반사한 빛을 집광하는 집광렌즈(집광광학수단), 34는 액정 등의 라이트 밸브(광변조수단)이다. 라이트 밸브(34)는, 집광 렌즈(33)가 집광한 빛을 공간적으로 강도 변조한다.
35는 라이트 밸브(34)가 강도 변조한 빛을 결상시키는 투영광학렌즈(투영광학수단), 36은 투영광학렌즈(35)가 결상한 빛을 배면에서 수광하여 화상을 표시하는 배면 투영형의 스크린이다. 스크린(36)은, 넓어진 광선을 거의 평행광으로 한 뒤에 결상시켜서 화상을 표시하고, 넓은 범위에 빛을 확산시켜 시야범위를 넓히는 작용을 한다.
스크린(36)에 있어서, 37이 각 실시 형태에서 나타낸 프레넬 렌즈이며, 38은 렌티큘러이다.
프레넬 렌즈(37)는, 투영광학렌즈(36)로부터의 빛을 각 실시 형태에서 설명한 동작으로 수광하고, 각 피치마다의 하이브리드형 프리즘부를 통해 소정 출사각으로 광선을 출사한다. 즉, 프레넬 렌즈(37)는, 투영광학렌즈(35)로 넓어진 빛을 거의 평행화하기 위해서 이용하고 있다. 렌티큘러(38)는, 프레넬 렌즈(37)로부터의 출사광을 결상시킨 뒤에 확산한다.
39, 40은 각각 광축이다. 광축(39)은, 포물면 거울(32), 집광렌즈(33), 라이트 밸브(34)에 의해 공유되어 있다. 광축(40)은, 투영광학렌즈(35), 프레넬 렌즈(37), 및 렌티큘러(38)에 의해 공유되어 있고, 프레넬 렌즈(37)의 출사면과 직교하고 있다.
광축(39)과 광축(40)은 서로 교차하지 않고, 라이트 밸브(34)에 의존한 최적설정각을 이루는 독립의 관계에 있다. 즉, 광축(39)을 공유하는 포물면 거울(32),집광렌즈(33), 라이트 밸브(34)는 광축(40)에 대해서 편심 배치되어 있다.
도17의 (a)와 같이 광학계 시스템이 구성된 화상표시장치는, 도17의 (b)에 도시하는 바와 같은 정면도가 된다. 도17의 (a)와 동일부호는 동일한 구성요소이다.
도17의 (b)에 있어서, 41은 화상표시장치 본체, 42는 프레넬 렌즈(37)에 설치된 하이브리드형 프리즘부의 고리띠이며, 스크린(36)에 대한 고리띠(42)의 관계를 표현하기 위해서 도시하고 있다. 43은 화상표시장치(41)의 받침부이며, 포물면 거울(32), 집광렌즈(33), 라이트 밸브(34) 등이 수납되어 있다.
편심 배치된 라이트 밸브(34)로부터 스크린(36)으로 빛을 투영하는 것 이외에는 도2의 화상표시장치와 동일한 동작이며, 프레넬 렌즈(37)의 동작도 상술되어 있기 때문에, 설명을 생략한다.
이렇게 구성된 화상표시장치를 짝수대만큼 준비하고, 다음의 제18도에 도시하는 바와 같이 멀티 구성으로 이용되는 경우가 종종 있다.
도18의 (a) 내지 (c)는 출사 광선의 출사각을 최적화하는 수법을 설명하기 위한 도이며, 2대의 화상표시장치를 멀티 구성하고 있다. 도17의 (b)는 출사각을 최적화한 프레넬 렌즈의 단면도, 도18의 (b)는 도17의 (b)의 프레넬 렌즈를 구비한 스크린의 정면도, 도18의 (c)는 도18의 (b)의 화상표시장치를 멀티 구성했을 경우의 이용자와의 관계를 도시하는 도이다.
도18의 (a) 내지 (c)에 있어서, 36A, 36B는 스크린, 37A, 37B는 프레넬 렌즈, 38A, 38B는 렌티큘러, 40A, 40B는 각각 프레넬 렌즈(37A, 37B)의 광축, 41A, 41B는 모두 도17의 (a) 및 (b)의 화상표시장치, 42A, 42B는 각각 프레넬 렌즈(37A, 37B)의 고리띠, 43A, 43B는 각각 화상표시장치(41A, 41B)의 받침부이다. 고리띠(42A, 42B)는 각각, 직사각형 형상으로 잘라내어진 프레넬 렌즈(37A, 37B)의 4변에서, 광축(40A, 40B)에 가장 가까운 1변과만 교차하는(광축(40A, 40B)에서 봐서)고리띠(경계 고리띠)이다(1변에 광축이 포함되지 않아도 좋다). 고리띠(42A, 42B)는, 스크린(36A, 36B)의 시야특성이나 투과율 등으로부터 정해진다.
도18의 (a) 내지 (c)에서 도시한 화상표시장치는, 한 쪽의 화상표시장치(41A)의 위아래를 역전시켜서 받침부(43A)를 상측으로 하고, 받침부(43B)를 하측으로 한 화상표시장치(41B)의 스크린(36B) 상부와 화상표시장치(41A)의 스크린(36A) 상부를 합친 멀티 구성으로 되어 있다. 이렇게 해서, 1개의 화상을 분할해서 화상표시장치(41A, 41B)에 각각 제공하고, 2개의 스크린(36A, 36B)에 의해 1개의 일체화상으로서 표시하기 때문에, 보다 큰 화상을 표시할 수 있게 되어 있다.
44는 화상표시장치(41A, 41B)의 이용자, 45는 이용자(44)의 시야각이다. 또, Lo3A 내지 Lo7A, 1o3B 내지 1o7B는 각각 프레넬 렌즈(37A, 37B)의 각 피치로부터 출사되는 출사광선이다. 광축(40A)에 가까운 순서대로 출사광선(Lo3A 내지 Lo7A)이 되어 있고, 광축(40B)에 가까운 순서대로 출사광선(Lo3B 내지 Lo7B)이 되어 있다. 광축(40A, 40B)에 가까운 출사광선, 즉 고리띠(42A, 42B)의 내측(광축40A, 40B측)의 출사광선일수록 큰 출사각이 되도록 설정되어 있다.
도18의 (c)에 도시하는 바와 같이, 멀티 구성한 2대의 화상표시장치(41A, 41B)의 일체 화상을 이용자(44)는 시야각(45)으로 인지한다. 이 때에, 통상의 프레넬 렌즈를 이용한 화상표시장치이면, 프레넬 렌즈의 출사광선은 모두 광축에 대해서 동일하게 평행하게 된다. 한편, 렌티큘러(38A, 38B)는 시야특성을 가지고 있고, 각 출사광선의 주광선방향이 가장 밝고, 주광선에 대해서 경사져서 볼수록 어두워진다. 따라서, 시야각이 커지는 받침부(43A, 43B) 근방에서는, 스크린에 대해서 법선방향으로 출사되는 주광선을 시야각에 따라 경사 방향에서 보기 때문에, 밝기가 감소해버리는 것이 보통이다.
그렇지만, 본 실시 형태 4의 프레넬 렌즈(37A, 37B)에서는, 광축(40A, 40B)에 가까운 피치, 즉 입사각이 작은 피치로부터의 출사광선(최대 출사각은 출사 광선(Lo3A, Lo3B))일수록 출사각을 크게 설정하고 있다. 즉, 사용자(44)의 방향으로출사광의 주광선이 향하기 때문에, 렌티큘러(38A, 38B)의 시야특성에 따른 감쇠작용을 경감시킬 수 있다. 또, 이것은 상대적으로 받침부(43A, 43B) 근방의 투과율을 보상하는 동시에, 각 출사광선(Lo3A 내지 Lo7A, Lo3B 내지 Lo7B)이 시야각(45)내를 향하도록 출사각을 최적화시킬 수 있다.
이와 같이, 프레넬 렌즈(37A, 37B)는 멀티 구성의 화상표시장치에 적용할 때에도, 이용자에 대해서 밝은 화상을 제공할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 도19에 도시하는 바와 같이, 4대의 화상표시장치(41A, 41B, 41C, 41D)를 조합시켜서 멀티 구성의 화상표시장치로서 이용할 경우, 각 화상표시장치(41A, 41B, 41C, 41D)가 고리띠(42A, 42B, 42C, 42D)보다 내측(광축(40A, 40B, 40C, 40D)측)에서는 출사각(f)을 크게 설정한다. 즉 도18의 (a) 내지 (c)와 마찬가지로, 이용자(44A)의 방향으로 각 출사광의 주광선을 향하게 하는 동시에, 고리띠(42A, 42B, 42C, 42D)의 외측(스크린(36A, 36B, 36C, 36D)을 구성하는 프레넬 렌즈의 렌즈 외주측)에서는, 광축(40A, 40B, 40C, 40D)에 대해서 평행이 되도록 출사광선을 설정한다. 도18의 (a) 내지 (c)의 경우와 마찬가지로, 고리띠(42A, 42B, 42C, 42D)는 각각, 스크린(36A, 36B, 36C, 36D)을 구성하는 프레넬 렌즈의 직사각형 형상의 4변에서, 광축(40A, 40B, 40C, 40D)에 가장 가까운 1변과만 교차하는 고리띠(경계 고리띠)이며, 스크린의 시야특성이나 투과율 등으로부터 정할 수 있다.
멀티 구성한 각 화상표시장치(41A, 41B, 41C, 41D)의 스크린(36A, 36B, 36C, 36D)사이의 경계부근에서는, 출사광의 주광선은 평행이 되도록 설정할 필요가 있다. 주광선을 평행하게 하고 있으면, 이용자(44B)와 같이 스크린을 경사에서 본 경우라도, 경계부근의 경사에서 시야각을 가지고 보는 것에 따른 렌티큘러의 시야특성에 의한 감쇠율이, 경계를 사이에 두고 양측의 스크린에서 모두 동일해지기 때문에, 스크린 경계에서의 휘도의 편차를 일으키기 않고, 경사에서 보아도 균일한 화상을 얻을 수 있다. 게다가, 고리띠(42A, 42B, 42C, 42D)보다 내측에서 출사각(f)을 크게 설정하고 있기 때문에, 어두워지는 고리띠(42A, 42B, 42C, 42D)의 내측의 휘도개선이 가능해지고, 스크린내에서의 휘도 균일성을 개선할 수 있다.
이상 보아 온 바와 같이, 스크린에 맞춰서 직사각형 형상으로 잘라내어진 프레넬 렌즈의 4변에서, 프레넬 렌즈의 광축에 가장 가까운 1변과만 교차하는 경계 고리띠의 광축측 피치에서는 출사 광선을 평행하게 설정하고, 경계 고리띠의 렌즈 외주측 피치에서는 출사 광선의 출사각을 크게 설정함으로써, 멀티 구성의 화상표시장치의 스크린에 프레넬 렌즈를 적용했을 때의 스크린내에서의 휘도 균일성을 개선할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도17의 (a) 및 (b), 도18의 (a) 내지 (c), 도19에 의해서도 명백한 바와 같이, 이상의 각 실시 형태에서 설명한 프레넬 렌즈와, 빛을 결상해서 확산시키는 렌티큘러 등의 광결상 확산수단을 이용해서 스크린를 구성하도록 해도 좋고, 넓은 화각의 투영광을 입사각에 지나치게 의존하지 않고서 고투과율로 수광할 수 있기 때문에, 미리 정해진 안 깊이 사양하에서 보다 대화면의 화상을 고휘도로 표시할 수 있는 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 이상의 각 실시 형태에서 설명한 프레넬 렌즈를 스크린에 적용할 경우에는, 프레넬 렌즈의 출사면에 렌티큘러를 일체 성형해도 좋다. 이렇게 함으로써, 부품 가지수를 줄인 스크린을 구성할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
실시 형태 5.
도20은 본 발명의 실시 형태 5에 의한 배면 투영형의 화상표시장치의 전체구성을 도시하는 도이다.
도20의 화상표시장치는, 프레넬 렌즈(51)와 확산판(52)을 가지는 스크린(53) 및 화상광원(54)을 구비하고, 화상광원(54)으로부터 투영된 화상광을 스크린(53)에 표시하는 장치이다. 스크린(53)은, 아스펙트비가 4:3이며, 사이즈가 50인치인 스크린이다.
도21은 도20의 화상표시장치를 측면에서 본 경우의 도이다.
스크린(53)은, 화상광원(54)과의 수평방향의 거리가 450mm, 스크린(53)의 하단과 화상광원(54)의 수직방향의 거리가 200mm가 되도록 배치되어 있다.
확산판(52)은, 렌티큘러 렌즈 등을 가지고, 화상광을 소정의 범위로 확산시키는 역활을 담당하는 광 확산수단이다.
프레넬 렌즈(51)는, 미소한 단위 프리즘부를 나란히 배치한 렌즈이며, 동심원상으로 단위 프리즘부를 배치한 서큘러 타이프의 프레넬 렌즈이다. 프레넬 렌즈(51)의 동심원의 중심에서 연장시킨 수선상에 화상광원(54)이 배치되어 있고, 프레넬 렌즈(51)로서 사용하는 것은 프레넬 렌즈(51)의 중심에서 벗어난 부분이다(도20 참조).
도22는 프레넬 렌즈(51)의 단면형상을 도시한 도이다.
프레넬 중심측에서 프레넬 주연측을 향해, 프레넬 렌즈(51)는 그 단면형상에 따라 영역(A1, A2, A3)의 3개 영역으로 나눌 수 있다.
우선 기본적인 형태로서, 영역(A2)에 대해서 설명한다.
영역(A2)에 있어서의 단위 프리즘부(하이브리드형 프리즘부)는, 입사면(제2 입사면)(51A) 및 전반사면(51B)을 가지고, 정각이 40°인 전반사형 프리즘부(U1)와, 입사면(제 1입사면)(51C) 및 무효면(51D)을 가지는 굴절형 프리즘부(U2)를 구비하고 있다. 이 단위 프리즘부란, 인접하는 단위 프리즘부의 무효면(51D)과 전반사면(51B)의 교선인 곡선(T)으로부터 옆의 곡선(T)까지의 사이를 나타내고 있고, 단위 프리즘부의 피치(P)=0.1mm가 되어 있다. 또한, 이 피치(P)=0.1mm는, 다른 영역(A2, A3)의 단위 프리즘부도 같은 값이 되어 있다.
도23A 내지 도23C는 전반사형 프리즘부(U1)와 굴절형 프리즘부(U2)를 설명하기 위한 도이다.
도23A는, 굴절형 프리즘부(U2)와 동등한 형상의 단위 프리즘부만이 형성된 프레넬 렌즈(굴절형 프리즘부를 구비한 종래의 프레넬 렌즈)를 도시하고 있다. 이미 설명한 바와 같이, 입사면(51C)에 투영되는 광속(RLin)은, 입사면(51C)에 의해 굴절시켜서 원하는 방향으로 출광한다. 그러나, 무효면(51D)에 투영되는 광속(R2in)은, 무효면(51D)에 의해 반사 또는 굴절되어, 미광이 되어버린다.
도23B는, 전반사형 프리즘부(U1)와 동등한 형상의 단위 프리즘부만이 형성된 프레넬 렌즈(전반사형 프리즘부를 구비한 종래의 프레넬 렌즈)를 도시하고 있다. 이미 설명한 바와 같이, 입사면(51A)에 투영되는 광속 중에서 광속(R3in)은, 전반사면(51B)에 의해 전반사되어 원하는 방향으로 출광된다. 그러나, 나머지 광속(R4in)은, 전반사면(51B)에 도달할 수 없고, 미광이 되어버린다.
도23C는, 본 실시 형태 5에 있어서의 프레넬 렌즈(51)를 도시하고 있다. 프레넬 렌즈(51)에서는, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)만으로 형성된 도23A 및 도23B에 도시한 프레넬 렌즈가 원하는 방향(본 실시 형태 5의 경우, 프레넬 렌즈(51)에 거의 수직인 방향)으로 출광할 수 없는 광속의 일부를, 원하는 방향으로 출광할 수 있도록, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)를 조합한 형상을 단위 프리즘부로 하고 있다.
구체적으로는, 전반사형 프리즘부(U1)에 있어서 전반사면(51B)에 도달하지 않는 광속(R4in)이 투영되는 부분에 굴절형 프리즘부(U2)가 배치되어 있다. 따라서, 프레넬 렌즈(51)는, 광속(R4in)의 일부를 굴절시켜서 원하는 방향으로 편향해서 출광하도록 되어 있다.
이 배치는, 다른 견지에서 보면, 굴절형 프리즘부(U2)에 있어서 무효면(51D)에 투영되는 광속(R2in)의 광로상에, 프레넬 중심측의 인접피치의 전반사형 프리즘부(U1)가 배치되어 있다고도 볼 수 있다. 따라서, 프레넬 렌즈(51)는, 광속(R2in)의 일부를 전반사해서 원하는 방향으로 편향해서 출광하도록 되어 있다. 다시 말해, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2) 각각의 단점을 보충할 수 있는 위치에 각각이 배치되어 있다.
또, 도22의 영역(A2)의 1피치에 있어서, 입사면(51C)을 연장한 면이 주연측의 곡선(T)을 통과하고, 입사면(51A)을 연장한 면이 프레넬 중심측의 곡선(T)을 통과하도록, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 배치되어 있다. 이렇게 배치되어 있는 이유는, 프레넬 렌즈(51)의 제조방법에 기인하고 있다. 다음에 프레넬 렌즈(51)의 제조방법에 관해서 설명한다.
프레넬 렌즈(51)는 수지성형에 의해 제조된다. 따라서, 그 반전형상을 형성한 렌즈 성형틀을 제조할 필요가 있다.
도24A 내지 도24C 및 도25A 내지 도25C는 프레넬 렌즈(51)를 제조할 때에 이용하는 렌즈 성형틀의 특징을 각각 설명하기 위한 도이다. 도24A 내지 도24C는 전반사형 프리즘부(U1)에 대응하는 부분을 절삭하는 경우를 도시하고, 도25A 내지 도25C는 굴절형 프리즘부(U2)에 대응하는 부분을 절삭하는 경우를 도시하고 있다.
도24A 내지 도24C, 도25A 내지 도25C에 있어서, 부호(C)는 렌즈 성형틀, 부호(B)는 예를 들면 다이아몬드 바이트 등의 렌즈 성형틀(C)을 절삭하기 위한 바이트이다.
렌즈 성형틀(C)은, 바이트(B)에 의해 절삭가공을 해서 제작하지만, 화상광이 통과하는 면(입사면(51A), 전반사면(51B), 입사면(51C))에 대응하는 렌즈 성형틀의 면은, 절삭시의 줄이나 얼룩 등이 생기지 않도록, 바이트(B)(또는 칩)의 선단(코너)이 아니라, 절단날(사면부분)로 절삭할 필요가 있다. 또, 프레넬 렌즈의 피치는 1mm전후(프레넬 렌즈(51)에서는 0.1mm)인 것에 대해서, 바이트(B)의 칩은 2 내지 3mm의 크기가 있다.
따라서, 이하의 절삭조건(A), (B)을 만족시키지 않으면, 단위 프리즘부의 형상에 대응한 렌즈 성형틀을 절삭할 수 없다.
절삭조건(A)
입사면(51C)을 연장한 면은, 곡선(T)을 통과(도25B) 또는 곡선(T)보다도 출광측을 통과한다(도25C).
절삭조건(B)
입사면(51A)을 연장한 면은, 곡선(T)을 통과(도24B) 또는 곡선(T)보다도 출광측을 통과한다(도24C).
본 실시 형태 5에 있어서의 프레넬 렌즈(51)는, 정각이 40°인 바이트(B)(칩)을 사용하고, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)에 대응하는 부분의 절삭을 하고 있다.
<렌즈 성형틀의 제조>
도26은 본 발명의 실시 형태 5에 따른 렌즈 성형틀 제조방법을 도시하는 플로우 챠트이다. 또 도27A 내지 도27D 및 도28A 내지 도28D는 바이트(B)에 의한 렌즈 성형틀(C)의 절삭의 진행상황을 도시하는 도이며, 도27A 내지 도27D는 굴절형 프리즘부(U2)를 주단위 프리즘부로 간주한 경우, 도28A 내지 도28D는 전반사형 프리즘부(U1)를 주단위 프리즘부로 간주한 경우이다.
도26에 있어서, 스텝(ST1)(절삭개시 피치번호 설정스텝)에서 피치번호는 n=1이 설정된다. 스텝(ST1)으로부터 스텝(ST2)(주단위 프리즘부 절삭스텝)으로 이행하면, 우선 제1 피치(절삭대상 피치)(P1)에 있어서의 주단위 프리즘부의 절삭작업이 바이트(B)에 의해 행하여진다. 이 때의 작업상황은, 도27A 또는 도28A로 도시되도록 되어 있고, 렌즈 성형틀(C)에 대해서 바이트(B)가 주단위 프리즘부의 절삭을 행한다.
스텝(ST2)에서 제1 피치(P1)의 주단위 프리즘부의 절삭이 완료되면, 계속해서 스텝(ST3)(부단위 프리즘부 절삭스텝)으로 이행하고, 제1 피치(절삭대상 피치)(P1)의 부단위 프리즘부의 절삭작업이 개시된다. 도25A 내지 도25C나 도26A 내지 도26C에서 기술한 바와 같이, 바이트(B)에 의해 렌즈 성형틀(C)에 부단위 프리즘부를 절삭할 때에는, 절삭 조건(A), 절삭 조건(B)을 만족시키도록 해서 행한다. 이 때의 작업상황은 도27B, 도28B로 도시되게 되어 있다.
예를 들면 도27B에 도시하는 바와 같이, 주단위 프리즘부로서 굴절형 프리즘부가 절삭된 제1 피치(P1)에 대해서 전반사형 프리즘부를 절삭할 때에는, 절삭조건(B)에 따라, 제1 피치(P1)의 프레넬 중심측에 있는 곡선(T1)을 전반사면(51A)의 연장면(SA1)이 통과하거나, 또는 프레넬 중심측의 곡선(T1)보다도 입사면(51A)의 연장면(SA1)이 출사측이 되도록 절삭된다.
마찬가지로, 도28B의 경우, 주단위 프리즘부로서 전반사형 프리즘부가 절삭된 제1 피치(P1)에 대해서 굴절형 프리즘부를 절삭할 때에는, 절삭조건(A)에 따라, 제1 피치(P1)의 프레넬 주연측에 있는 곡선(T0)을 입사면(51C)의 연장면(SC1)이 통과하거나, 또는 프레넬 주연측의 곡선(T0)보다도 입사면(51C)의 연장면(SC1)이 출사측이 되도록 절삭된다.
스텝(ST2), 스텝(ST3)의 제1 피치(P1)에 대한 절삭작업이 완료되면 스텝(ST4)(피치번호 추이스텝)으로 이행하고, 피치번호 n의 값이 인크리먼트되어 n=2가 된다. 다음의 스텝(ST5)(절삭완료 판정스텝)에서는, 렌즈 성형틀(C)의 총 피치수Nmax와 피치번호 n의 비교가 행하여지고, n≤Nmax의 경우, 즉 절삭하는 피치가 아직 잔존하고 있는 경우에는(스텝(ST5)에서 N0), 스텝(ST2)으로 되돌아가서 제2 피치(절삭대상 피치)(P2)에 있어서의 주단위 프리즘부의 절삭작업(도27C, 도28C)이 행하여진다.
계속해서 스텝(ST3)에서는, 제2 피치(절삭대상 피치)(P2)에 있어서의 부단위 프리즘부의 절삭작업(도27D, 도28D)이 행하여진다. 물론, 제1 피치(P1)의 경우와 마찬가지로, 절삭조건(A) 또는 절삭조건(B)을 만족시키도록, 제2 피치(P2)에 대한 절삭작업이 스텝(ST3)에서 행하여진다.
예를 들면 도27D의 경우, 주단위 프리즘부로서 굴절형 프리즘부가 절삭된 제2 피치(P2)에 대해서 전반사형 프리즘부를 절삭할 때에는, 절삭조건(B)에 따라서, 제2 피치(P2)의 프레넬 중심측에 있는 곡선(T2)을 전반사면(51A)의 연장면(SA2)이 통과하거나, 또는 프레넬 중심측의 곡선(T2)보다도 입사면(51A)의 연장면(SA1)이 출사측이 되도록 절삭된다.
도28B의 경우도 역시 마찬가지로, 주단위 프리즘부로서 전반사형 프리즘부가 절삭된 제2 피치(P2)에 대해서 굴절형 프리즘부를 절삭할 때에는, 절삭조건(A)에 따라, 제2 피치(P2)의 프레넬 주연측에 있는 곡선(T1)을 입사면(51C)의 연장면(SC2)이 통과하거나, 또는 프레넬 주연측의 곡선(T1)보다도 입사면(51C)의 연장면(SC2)이 출사측이 되도록 절삭된다.
이후, 스텝(ST4)에 있어서 피치번호가 1씩 인크리먼트되어 n=3으로부터 n=Nmax까지의 절삭작업을 반복되어, n=Nmax+1이 된 시점에서 스텝(ST5)에 의해 프레넬 렌즈(51)의 절삭작업이 완료되고, 렌즈 성형틀(C)의 제조가 완료된다. 이와 같이, 본 실시 형태 5에서는, 통상의 절삭공구를 이용해서 렌즈 성형틀의 제조를 용이하게 행하는 것이 가능하다. 또, 주단위 프리즘부·부단위 프리즘부의 절삭을 1피치마다 순차 진행해 가기 때문에, 렌즈 성형틀(C)의 제조정밀도를 향상시킬 수 있고, 나아가서는 프레넬 렌즈(51)를 고정밀도로 제조하고, 설계대로의 광학성능을 제공할 수 있다.
또한, 도27A 내지 도27D나 도28A 내지 도28D에서는, 프레넬 중심측에서 프레넬 주연측으로 절삭작업의 진행방향을 진행시키고 있지만, 이 절삭작업의 진행방향은 특별히 한정되는 것이 아니라, 프레넬 주연측에서 프레넬 중심측으로 반대로 진행시켜도 좋다.
이렇게 해서 제조한 렌즈 성형틀(C)에 수지를 부어 넣어서 경화시키고, 경화된 수지에서 렌즈 성형틀(C)을 떼어내면 프레넬 렌즈(51)가 완성된다. 이 프레넬 렌즈(51)는, 50인치라고 하는 대형의 렌즈 시트이며, 또한 경사 방향에서 화상광이 투영되기 때문에, 입사위치에 따라 화상광의 입사각도의 차이가 커진다. 전반사형 프리즘부(U1)는, 입사각이 큰 경우에 원하는 방향으로 출광하는 광속이 많아지고, 반대로 굴절형 프리즘부(U2)는, 입사각이 작은 경우에 원하는 방향으로 출광하는 광속이 많아진다. 따라서, 입사각이 큰 입사위치에는 전반사형 프리즘부(U1)가, 입사각이 작은 입사위치에는 굴절형 프리즘부(U2)가 각각 적합하다.
그래서, 도22에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태 5에 있어서의 프레넬 렌즈(51)의 화상광원(54)에 가까운 측이 되는 영역(A1)(프레넬 중심측)에서는, 굴절형 프리즘부(U2)를 주단위 프리즘부, 전반사형 프리즘부(U1)를 부단위 프리즘부로 하여, 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율보다도, 전반사형 프리즘부(U1)가 차지하는 비율을 적게 하고 있다.
한편, 화상광원(54)으로부터 먼 측이 되는 영역(A3)(프레넬 주연측)에서는, 전반사형 프리즘부(U1)를 주단위 프리즘부, 굴절형 프리즘부(U2)를 부단위 프리즘부로 하고, 전반사형 프리즘부(U1)가 차지하는 비율보다도, 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 적게 하고 있다.
여기에서, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 변화시키기 위해서는, 렌즈 성형틀(C)을 절삭하는 바이트(B)의 베기 깊이를 위치에 따라 변화시키고, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)의 높이가 바뀌도록 해서 행했다.
도29는 프레넬 렌즈(51)에 있어서의 프레넬 중심으로부터의 반경과 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 도시하는 도이다. 도29에는, 전반사형 프리즘부(U1)만이 형성되어 있는 경우의 투과율을 도시하는 선도(L1)와, 굴절형 프리즘부(U2)만이 형성되어 있는 경우의 투과율을 도시하는 선도(L2)도 아울러 도시하고 있다. 또한, 이 투과율의 측정는, 본 실시 형태 5에 있어서의 배면 투영형의 화상표시장치와 동일한 배치로 하고, 백색광원을 사용해서 행하고 있다. 도29에 있어서, 가로축은 반경(단위mm), 좌측 세로축은 투과율(단위%), 우축 세로축은 렌즈 비율이다.
도29에서는 선도(L1)와 선도(L2)가 반경 250mm의 위치에서 교차하고 있고, 이 반경 250mm를 경계로 하여, 반경 250mm이하의 영역에서는 전반사형 프리즘부(U1)보다 굴절형 프리즘부(U2)의 효과가 높고(L1<L2), 반경 250mm이상의 영역에서는, 반대로 전반사형 프리즘부(U1)의 효과가 높은 것을 알 수 있다. 프레넬 렌즈(51)에서는, 이 반경 250mm를 목표로 하여, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 변화시키고 있다.
도29에 있어서, 전반사형 프리즘부(U1) 또는 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율은, 영역(A2)에 있어서의 전반사형 프리즘부(U1) 또는 굴절형 프리즘부(U2)의 높이를 1로 하고, 이것에 대한 비를 렌즈 비율로서 나타냈다. 도29에는, 전반사형 프리즘부(U1)의 렌즈 비율을 선도(L3)에 도시하고, 굴절형 프리즘부(U2)의 렌즈 비율을 선도(L4)에 도시하고 있다. 또한, 실제로는 반경 200 내지 1078mm의 범위를 프레넬 렌즈(51)로서 사용하지만, 도29에서는, 각 선도의 차이가 명확하게 나타나는 반경 100 내지 500mm의 범위를 나타내고 있다.
도29를 보면 알 수 있는 바와 같이, 전반사형 프리즘부(U1)는, 반경 200mm이하의 부분에는 존재하지 않고, 반경 200mm에서 차지하는 비율이 늘어나기 시작하고, 반경 250mm에 있어서 렌즈 비율이 1(영역(A2)에 있어서의 비율과 동일)에 까지 이르고, 반경 250mm이상에 있어서는, 렌즈 비율 1을 유지한 채이다.
한편, 굴절형 프리즘부(U2)는, 반경 300mm이하에서는 렌즈 비율이 1(영역(A2)에 있어서의 비율과 동일)이며, 반경 300mm이상에서는 서서히 렌즈 비율이 작아지고 있다.
프레넬 렌즈(51)는, 이와 같이 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 변화시키고 있기 때문에, 반경 250mm까지가 영역(A1)의 형상이 되고, 반경 250 내지 300mm가 영역(A2)의 형상, 반경 300mm이상이 영역(A3)의 형상이 되어 있다.
또한, 굴절형 프리즘부(U2)를 반경 250mm이상에서 서서히 렌즈 비율이 작아지도록 하고, 영역(A2)을 생략해도 좋지만, 본 실시 형태 5에서는, 변화를 원활하게 하고, 표시되는 화상의 휘도차이를 적게 하기 위해서, 영역(A2)을 설치하고 있다.
<투과율의 비교>
본 실시 형태 5에 따른 프레넬 렌즈(51)를 제작하고, 종래의 것에 비해서 투과율이 향상되어 있는 것을 확인했다.
여기에서, 일본국 특허 공개 소61-52601호 공보에 기재되어 있는 수법에 따라, 도6의 종래기술에 따른 프레넬 렌즈(110)와, 본 실시 형태 5의 프레넬 렌즈(51)를 비교할 수 있도록, 형상이외의 사양을 동일하게 해서 양자를 제작했다.
도30은 종래 기술에 따른 프레넬 렌즈(110)의 구성을 도시하는 도이다. 전반사형 프리즘부 및 굴절형 프리즘부의 기본형상을 프레넬 렌즈(51)와 동형상으로 하고, 피치(P)도 0.1mm로서 동일하게 했다.
도31은 도30의 프레넬 렌즈(110)에 있어서의 전반사형 프리즘부의 렌즈 비율을 선도(L5)로 도시한 도이다. 이 프레넬 렌즈(110)는, 전반사형 프리즘부(U1)와 굴절형 프리즘부(U2)가 독립해서 존재하고 있는 형태이며, 전반사형 프리즘부(U1)와 굴절형 프리즘부(U2)의 렌즈 비율은 도31 우측의 그래프 난외에 도시하도록 되어 있다. 또한, 도31 중의 선도(L1, L2)는, 도29와 동일한 것이다.
도32는 본 실시 형태 5의 프레넬 렌즈(51) 및 종래 기술에 따른 프레넬 렌즈(110)의 투과율을 각각 도시하는 도이다. 도32에서는, 프레넬 렌즈(51)의 투과율을 선도(L6)로 도시하고, 프레넬 렌즈(110)의 투과율을 선도(L7)로 도시했다. 또한, 도29 및 도31과 마찬가지로, 선도(L1, L2)도 아울러 도시했다. 선도(L6)는, L1, L2 및 L7의 어느 것과 비교하더라도, 거의 모든 영역에서 투과율이 높아져 있고, 본 실시 형태 5에 따른 프레넬 렌즈(51)의 투과율이 높은 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 본 실시 형태 5에 따르면, 전반사형 프리즘부(U1) 및 굴절형 프리즘부(U2)가 차지하는 비율을 변화시켜서, 이것들을 하나의 단위 프리즘부로서 조합시켰기 때문에, 각각의 단점을 보충할 수 있고, 전체의 투과율이 높은 프레넬 렌즈(51)를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 5에 따르면, 1개의 바이트(B)를 사용해서 렌즈 성형틀(C)의 절삭을 행할 수 있기 때문에, 프레넬 렌즈의 제조도 간단하게 할 수 있다.
따라서, 이 프레넬 렌즈(51)를 사용하는 스크린(53)도 전체의 투과율이 높아지고, 배면 투영형 프로젝션 표시장치의 표시를 보다 밝게 할 수 있는 동시에, 저가격으로 할 수 있다.
이상의 설명에 한정되지 않고, 본 실시 형태 5는 여러 가지의 변형이나 변경이 가능하다.
<변형형태 1>
이상의 설명에서는, 프레넬 렌즈(51)는 3종류의 영역(A1, A2, A3)을 구비하고 있는 예를 나타냈으나, 본 실시 형태 5는 이것에 한하지 않고, 이들 조합을 적절히 변경해도 좋다. 예를 들면, 영역(A1) 및 영역(A2)만이어도 좋고, 영역(A1, A2, A3)중 어느 하나의 영역이어도 좋다.
<변형형태 2>
이상의 설명에서는, 프레넬 렌즈(51)의 출광측의 면은 평탄한 예를 나타냈지만, 본 실시 형태 5는 이것에 한하지 않고, 다른 프레넬 렌즈 형상을 추가해도 좋고, 미세 요철 등의 확산수단을 설치해도 좋다.
<변형형태 3>
이상의 설명에서는, 화상광원(54)이 화상광을 직접 프레넬 렌즈(51)에 투영하는 예를 나타냈지만, 본 실시 형태 5는 이것에 한하지 않고, 예를 들면, 화상광원(54)으로부터의 화상광을 반사나 굴절 등 시켜서 광로를 변경하고 나서, 프레넬 렌즈(51)에 투영하는 미러나 프리즘 등의 광학수단을 설치해도 좋다.
실시 형태 6.
실시 형태 5에서 나타낸 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 렌즈 성형틀을 제조하면, 금속의 전성에 의해 렌즈 성형틀에 변형이 발생해 버린다. 당연히, 렌즈 성형틀의 변형은 프레넬 렌즈의 광학면의 변형이 되고, 그 광학성능을 열화시키는 요인으로 이어진다.
본 실시 형태 6에서는, 렌즈 성형틀의 변형의 발생에 대해서 우선 설명하고, 이 변형의 발생을 회피하여 프레넬 렌즈의 광학성능을 보증할 수 있는 렌즈 성형틀 제조방법에 대해서 기술한다. 또한, 실시 형태 3에서 설명한 특성 변화각 근방의 매개 프리즘부(또는 실시 형태 5에서 설명한 렌즈 비율을 변화시키는 수법)을 이용한 프레넬 렌즈에 있어서, 렌즈 성형틀의 변형이 영향을 주어도 양호한 광학성능을 실현할 수 있는 렌즈 성형틀 제조방법에 대해서도 언급한다.
도33A 내지 도33F는 렌즈 성형틀의 제조공정에서 발생하는 변형을 설명하기 위한 도이며, 실시 형태 5에서 설명한 렌즈 성형틀 제조방법에 근거하고 있다. 제28도와 동일부호는 상당하는 구성이다. 도33A 내지 도33F에서는, 프레넬 중심에서 프레넬 주연으로 각 피치마다 절삭작업이 진행되고, 주단위 프리즘부로서의 전반사형 프리즘부의 성형틀(반전형상)을 절삭한 후에, 부단위 프리즘부로서의 굴절형 프리즘부의 성형틀(반전형상)을 절삭하는 공정이다.
우선 처음에, 제1 피치(P1)의 전반사형 프리즘부 성형틀을 렌즈 성형틀(C)에 대해서 바이트(B)로 절삭하고(도33A), 계속해서, 제1 피치(P1)의 굴절형 프리즘부를 렌즈 성형틀(C)에 바이트(B)로 절삭한다(도33B). 이것에 의해, 제1 피치(P1)에 있어서의 하이브리드형 프리즘부 성형틀의 절삭이 완료된다. 이 때의 절삭조건은 실시 형태 5에서 기술한 대로다.
다음에 제2 피치(P2)의 절삭작업으로 이행한다. 제2 피치(P2)의 전반사형 프리즘부 성형틀을 렌즈 성형틀(C)에 절삭한 상태는 도33C와 같이 되고, 이 때, 제1 피치(P1)의 전반사형 프리즘부 성형틀의 전반사면과, 제2 피치(P2)의 전반사형 프리즘부 성형틀의 입사면의 사이에 예리한 곡선(T1)의 선단부가 생긴다.
그리고 도33D에 도시하는 바와 같이, 이 곡선(T1) 선단부에 대해서 바이트(B)를 누르고, 제2 피치(P2)의 굴절형 프리즘부 성형틀의 절삭을 행한다. 본 실시 형태 6의 첫머리에서 기술한 렌즈 성형틀(C)의 변형은, 이 제2 피치(P2)의 굴절형 프리즘부 성형틀을 절삭할 때에 생기는 것이다.
즉, 곡선(T1) 선단부의 폭은 그 정점일수록 좁아지고 있기 때문에, 이것에 따라서 그 강도도 약해지고 있다. 따라서, 도33E에 도시하는 바와 같이 예리한 곡선(T) 선단부에 대해서 바이트(B)를 누르면, 제2 피치(P2)로부터 제1 피치(P1)의 방향으로 생기는 압박력이 곡선(T1) 선단부의 정점에 가까운 부분일수록 더욱 크게 작용하게 되고, 금속의 전성에 의해, 도33E의 점선원(NG)내에서 렌즈 성형틀(C)의 변형이 발생하게 된다.
도33F는 도33E의 점선원(NG)의 내부를 확대한 도이다.
도33F에서는, 곡선(T1) 선단부의 정점일수록 바이트(B)에 의해 제2 피치(P2)로부터 제1 피치(P)1의 방향으로 밀려들어가 있고, 제1 피치(P1)의 전반사면의 절삭형상으로 변형이 생겨 있다. 예를 들면, 설계대로의 전반사면의 절삭형상을 이점 쇄선(Real)으로 나타내면, 렌즈 성형틀(C)의 변형은 일점 쇄선의 곡선(곡면)(Err)으로 표시된다.
이하, 도시하지 않은 제3 피치(P3)이후에 있어서도 동일한 절삭작업이 반복되기 때문에, 제n+1 피치(Pn+1)(n은 자연수)의 굴절형 프리즘부를 절삭할 때에, 절삭필의 제n 피치(Pn)와 절삭중의 제n+1 피치(Pn+1)의 사이의 곡선(Tn)의 선단부에 변형이 발생해 버린다. 이렇게 제조된 렌즈 성형틀(C)에 따른 프레넬 렌즈는, 변형이 생긴 정도만큼 전반사면의 형상이 변형해서 그 광학성능이 열화되고, 예를 들면 광 손실의 증가나, 변형의 정도가 각 피치에서 무작위로 발생했을 경우에는, 출사광 강도의 부자연스러운 불연속성으로 연결되어 버리게 된다.
이상의 렌즈 성형틀(C)에 있어서의 변형의 발생을 근거로 하여, 실시 형태 5의 렌즈 성형틀 제조방법을 개량하면 다음과 같이 된다.
도34는 본 발명의 실시 형태 6에 따른 렌즈 성형틀 제조방법을 도시하는 플로우 챠트이며, 실시 형태 5의 도26과 동일부호는 상당하는 스텝을 나타내고 있다. 또, 도35A 내지 도35F는 도34의 렌즈 성형틀 제조방법에 따라서 절삭 되어 가는 렌즈 성형틀(C)의 상태를 도시하는 도이며, 제28도나 도33A 내지 도33F에 대응하는 구성에 대해서는 동일부호를 붙이고 있다. 도33A 내지 도33F와 마찬가지로, 도35A 내지 도35F에서는, 전반사형 프리즘부 성형틀, 굴절형 프리즘부 성형틀의 순번으로 프레넬 중심에서 프레넬 주연으로 절삭작업이 진행되어 간다.
도34에 있어서, 실시 형태 5와 마찬가지로, 스텝(ST1)에서 피치번호 n=1을 설정하고, 스텝(ST2)(주단위 프리즘부 절삭스텝)에서 제1 피치(P1)의 전반사형 프리즘부 성형틀을 바이트(B)로 절삭한다(도35A).
그리고, 스텝(ST2)의 다음에 스텝(ST6)(피치마진 설정스텝)을 설정하고 있는 점이 본 실시 형태 6의 특징이다. 이 스텝(ST6)에서는, 제1 피치(P1)에 있어서의 피치 마진(△P1)을 설정한다. 여기에서, 절삭작업 중의 제n+1 피치(Pn+1)에 있어서의 피치 마진(△Pn+1)은, 제n+1 피치(Pn+1)의 굴절형 프리즘부 성형틀(부단위 프리즘부)을 절삭할 때에 바이트(B)의 정점이 렌즈 성형틀(C)에 최초로 접하는 부분으로부터, 절삭필의 인접 제n 피치(Pn)의 경계까지의 절삭진행방향상의 거리이다.
이 피치 마진(△P1)이 스텝(ST6)에서 설정되면 스텝(ST7)(부단위 프리즘부 절삭스텝)으로 이행하고, 절삭조건(A) 또는 절삭조건(B)과, 피치 마진(△P1)(≥0)에 따라, 제1 피치(P1)의 굴절형 프리즘부 성형틀을 절삭한다. 이 스텝(ST7) 시의 절삭작업상태는 도35B와 같이 되어 있다. 도33B와 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 프레넬 중심에서 프레넬 주연의 방향으로 피치 마진(△P1) 분만큼 굴절형 프리즘부 성형틀을 옮겨서 절삭하고 있다.
스텝(ST4)에서 피치번호는 n=2가 되고, 스텝(ST5)로부터 스텝(ST2)으로 이행하면, 제2 피치(P2)의 절삭작업으로 옮겨져서, 스텝(ST2)의 전반사형 프리즘부 성형틀의 절삭을 행한다. 이 때의 상태는 도35C와 같고, 도33C와 마찬가지로 제1 피치(P1)와 제2 피치(P2)의 사이에 예리한 곡선(T1) 선단부가 이 때에 생긴다.
스텝(ST6)에서는 제2 피치(P2)의 피치 마진(△P2)(≥0)을 설정하고(도35D), 스텝(ST7)에서는 피치 마진(△P2)에 따라서 굴절형 프리즘부 성형틀의 절삭을 행한다(도35E). 스텝(ST6)의 피치 마진을 설정하는 이유가 명백해지는 것은 이 때이다.
즉, 도35D, 도35E에서 알 수 있는 바와 같이, 프레넬 중심에서 프레넬 주연으로 미소폭의 피치 마진(△P2)만큼 절삭개시위치를 옮겨서 제2 피치(P2)의 굴절형 프리즘부 성형틀을 절삭하기 때문에, 도35E 점선원(OK)내(확대도를 도35F에 도시한다)의 곡선(T1) 선단부의 강도도 그만큼 강해지고, 도33D, 도33E와 같이 제2 피치(P2)로부터 제1 피치(P1)의 방향으로 바이트(B)의 압박력이 작용하더라도, 이 압박력에 대항할 만큼의 강도를 곡선(T1) 선단부에 갖게 할 수 있다.
이후, 스텝(ST5)에서 절삭작업의 완료가 판정될때 까지, 피치 마진(△Pn)을 가지고 각 피치(Pn)의 굴절형 프리즘부가 절삭되어 간다. 이와 같이 도34의 렌즈 성형틀 제조방법에 따르면, 렌즈 성형틀(C)에 변형이 발생하지 않기 때문에, 이 렌즈 성형틀(C)에 의해 제조된 프레넬 렌즈 각 피치의 전반사면을 설계대로의 형상으로 유지할 수 있고, 프레넬 렌즈의 광학성능을 보증할 수 있다.
설명을 보충하면, 임의의 제n 피치(Pn)에 있어서의 피치 마진(△Pn)은 모두 일정한 미소치로 해도 좋고, 다른 미소치에 설정해도 좋다.
또, 상기의 각 도에서는, 전반사형 프리즘부, 굴절형 프리즘부를 각각 주단위 프리즘부, 부단위 프리즘부로 하고, 프레넬 중심에서 프레넬 주연으로 절삭하는 경우를 예로 했지만, 본 실시 형태 6은 이것에 한정되지 않고, 굴절형 프리즘부, 전반사형 프리즘부를 각각 주단위 프리즘부, 부단위 프리즘부로 하여, 프레넬 주연으로부터 프레넬 중심으로 절삭하도록 한 경우에도 적용하는 것이 가능하다.
다음에, 매개 프리즘부(실시 형태 3)를 구비한 프레넬 렌즈에 있어서, 렌즈 성형틀에 더미 프리즘부 성형틀을 제조함으로써, 변형의 영향을 억제하는 수법에 대해서 설명한다.
도36의 (a) 및 (b)는 더미 프리즘부를 구비하고 있지 않은 프레넬 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도이며, 도37의 (a) 및 (b)는 더미 프리즘부를 구비한 프레넬 렌즈의 구성 및 동작을 설명하기 위한 도이다.
도36의 (a), 도37의 (a)에서는, 도36의 (a), 도37의 (a)의 프레넬 렌즈의 단면형상을 각각 확대해서 도시하고 있고, 도36의 (b), 도37의 (b)에서는, 도36의 (a), 도37의 (a)의 전반사형 프리즘부의 높이(Rfl)(실선)와 굴절형 프리즘부의 높이(Rfr)(일점 쇄선)를 각 피치마다 각각 도시하고 있다. 높이는, 프레넬 렌즈의 광축방향에 대한 프리즘부의 절삭깊이를 말한다. 도36의 (a) 및 (b), 도37의 (a) 및 (b)에서는, 모두 지면 하방이 프레넬 중심, 지면 상방이 프레넬 주연이다.
도36의 (a) 및 도37의 (a)에 있어서, 70은 프레넬 렌즈, Ph-1, Ph, …, Pi-4 내지 Pi+1, …, Pj-1 내지 Pj+1은 각각 프레넬 렌즈(70)의 각 피치이다.
또, 71h-1, 71h, …, 7Li-4 내지 7Li+1, …, 71j-1 내지 71j+1은 각 피치(Ph-1 내지 Pj+1)에 각각 설치된 전반사형 프리즘부, 72h-1, 72h, …, 72i-4 내지 72i는 각 피치(Ph-1 내지 Pi)에 각각 설치된 굴절형 프리즘부, 73는 프레넬 렌즈(70)의 출사면이다.
또한, 도37의 (a)에만 있어서, 72i+1, …, 72j-1, 72j는 각 피치(Pi+1, …, Pj-1,Pj)에 각각 설치된 굴절형 프리즘부(더미 프리즘부)이다. 이 굴절형 프리즘부(72i+1 내지 72j)는, 도37의 (b)에 도시하는 바와 같이 전반사형 프리즘부(71i+1 내지 71j)의 높이(Rfl)와 비교해서, 그 높이(Rfr)를 낮게 설정하고 있고(Rfr=0), 입사광의 수광에 관여하지 않고 있다.
도36의 (a), 도37의 (a) 모두, 피치 마진 없이 만들어진 렌즈 성형틀에 의해 프레넬 렌즈(70)를 제조하고 있기 때문에, 굴절형 프리즘부(72h-1 내지 72i)를 절삭함으로써, 전반사형 프리즘부(71h-1 내지 7Li-1)의 전반사면에 변형(점선원(NG)내)이 발생되어 있는 것을 알 수 있다(도에서는, 간단히 하기 위해 변형의 형상을 직선적으로 표시하고 있다).
또한 도37의 (a)의 프레넬 렌즈(70)에서는, 굴절형 프리즘부(72i+1 내지 72j)도 설치하고 있기 때문에, 전반사형 프리즘부(71h-1 내지 7Li-1)에 더해서, 전반사형 프리즘부(71i 내지 71j-1)의 전반사면에도 변형(점선원(NG)내)이 발생되어 있다. 이 굴절형 프리즘부(72i+1 내지 72j)는, 각 피치(Pi+1 내지 Pj)에 의식해서 설치하고 있는 것이다. 이 굴절형 프리즘부(72i+1 내지 72j)의 유무에 따라, 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)와 도37의 (a)의 프레넬 렌즈(70)의 차이가 특징지워진다.
도36의 (a)에 있어서, 피치(Pi-4)로부터 프레넬 중심까지의 중심측 피치군에서는, 비교적 작은 입사각으로 광선이 입사하기 때문에, 전반사형 프리즘부(71i-4, 71h, 71h-1, …)와 굴절형 프리즘부(72i-4, 72h, 72h-1, …)를 모두 구비한 하이브리드형 프리즘부를 성형하고 있다. 전반사형 프리즘부(71i-4, 71h, 71h-1, …)와, 굴절형 프리즘부(72i-4, 72h, 72h-1, …)의 중심측 피치군에 있어서의 각 높이(Rf l, Rfr)는 도36의 (b)와 같이 1:1이 되어 있다.
한편, 도36의 (a)의 피치(Pi+1)으로부터 프레넬 주연까지의 주연측 피치군에서는, 비교적 큰 입사각으로 광선이 입사되기 때문에, 큰 입사각에 대해서는 투과율이 열화해서 거의 기능하지 않는 굴절형 프리즘부의 높이(Rfr)를 0으로 하고(도36의 (b)), 전반사형 프리즘부(71i+i, …, 71j-1, 71j, 71j+1, …)만을 성형하고 있다.
그리고, 도36의 (a)의 중심측 피치군으로부터 주연측 피치군으로 이행하는 영역에 존재하는 피치(Pi-3)로부터 피치(Pi)까지의 매개 피치군에서는, 도36의 (b)에 도시하는 바와 같이, 프레넬 중심측에서 프레넬 주연측의 피치가 될수록, 굴절형 프리즘부(72i-3, …, 72i)의 높이(Rfr)만큼을 서서히 감소시킨 하이브리드형 프리즘부(매개 프리즘부)를 성형하고 있다. 이것은, 중심측 피치군으로부터 주연측 피치군으로 이행할 때의 투과율 특성을 원활하게 하는 것이 목적이며, 이 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)와 같이 매개 피치군을 설치함으로써, 원리적으로는 투과율 특성을 원활하게 할 수 있다.
그런데, 점선원(NG)내의 변형이 전반사형 프리즘부의 전반사면에 발생해 버리기 때문에, 도36의 (a)에 도시한 프레넬 렌즈(70)에서는, 피치(Pi-1)의 투과율과 피치(Pi)의 투과율의 불연속성이 커져 버리게 된다. 따라서 예를 들면 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)를 스크린에 적용하면, 스크린상의 화상의 밝기에 부자연스러운 경계가 발생해 버린다.
한편, 도37의 (a)의 프레넬 렌즈(70)에서는, 전반사형 프리즘부의 전반사면에 점선원(NG)내의 변형이 발생하는 것을 상정하고, 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)의 구성에 더해서, 상술한 바와 같이 굴절형 프리즘부(72i+i 내지 72j)를 일부러 설치하도록 하고 있다. 이 때문에, 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)와 달리, 피치 사이에 있어서의 투과율의 불연속성을 해소할 수 있게 되어 있다.
도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)와 도37의 (a)의 프레넬 렌즈(70)의 차이를 좀더 상세하게 설명한다.
도38A, 도38B는 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)와 도37의 (a)의 프레넬 렌즈(70)의 차이를 설명하기 위한 도이다. 도38A는 도36의 (a)의 프레넬 렌즈(70)를, 도38B는 도37의 (a)의 프레넬 렌즈(70)를, 피치(Pi-1) 내지 피치(Pj)를 각각 확대한 도가 되어 있다. 도36의 (a), 도37의 (b)와 동일부호는 상당하는 구성이다.
도38A의 피치(Pi-1)에 있어서, 프레넬 주연측의 인접 피치(Pi)에 최후의 굴절형 프리즘부(72i)가 설치되어져 있기 때문에, 전반사형 프리즘부(71i-1)의 전반사면(74i-1)에는 점선원(NG)내의 변형이 생겨 있다. 따라서, 전반사형 프리즘부(71i-1)의 입사면(75i-1)으로 수광된 입사광속(76i-1)은, 그 전체가 전반사면(74i-1)에서 전반사되어 출사면(73)으로부터 출사될 수는 없다. 즉, 일부의 광속(77i-1)은 입사면(75i-1)에서 굴절된 후에 점선원(NG)내의 변형에 의해 본래의 전반사방향과는 다른 방향으로 산란되기 때문에, 광 손실이 생긴다.
한편, 도38A의 피치(Pi)에서는, 프레넬 주연측에 인접하는 피치(Pi+1)에 굴절형 프리즘부가 존재하지 않기 때문에, 피치(Pi)의 전반사형 프리즘부(71i)의 전반사면(74i)에는 변형이 생기지 않고 있다. 따라서 이 피치(Pi)에서는, 전반사형 프리즘부(71i)의 입사면(75i)으로 수광된 광속(76i)이 전반사면(74i) 전면에서 전반사해서 출사면(73)으로부터 출사되기 때문에, 피치(Pi-1)와 달리 광 손실이 생기지 않고 있다.
이하, 피치(Pi+1, …)에 있어서도, 전반사면(74i+1, …)에 점선원(NG)내의 변형이 생겨 있지 않기 때문에, 변형의 영향에 의한 광 손실이 생긴 피치(Pi-1)와, 광 손실이 없는 피치(Pi)의 사이에서 투과율의 불연속성이 크게 생겨 버리게 된다.
이 도38A의 경우에 대해서, 도38B에 도시한 프레넬 렌즈(70)에서는, 전반사면(74i)에 점선원(NG)내의 변형이 생기는 것을 상정하고, 피치(Pi)의 프레넬 주연측에 인접하는 피치(Pi+1)에도 빛의 수광에 관여하지 않는 굴절형 프리즘부(72i+1)를 일부러 설치하고 있다. 이렇게 함으로써, 피치(Pi)에서도, 일부의 광속(77i)은 입사면(75i)에서 굴절된 후에 점선원(NG)내의 변형에 의해 본래의 전반사방향과는 다른 방향으로 산란되는 것에 의해, 피치(Pi-1)와 같이 광 손실을 생기게 하고, 투과율의 불연속성을 해소하고 있다.
이하, 프레넬 주연측의 각 피치에도 마찬가지로 하여, 수광에 관여하지 않는 굴절형 프리즘부를 굴절형 프리즘부(72j-1, 72j)에 이르기까지 설치해서 투과율의 불연속성을 해소하고 있다. 그리고, 프레넬 렌즈(70)에의 입사광의 입사각이 충분히 커지고, 전반사면의 전면에 걸쳐 전반사하지 않게 된 피치 이후에 있어서, 더미의 굴절형 프리즘부를 완전히 소멸하도록 하고 있다.
도38B의 피치(Pj)가 정확히 이것에 상당하고 있고, 입사광의 입사각이 충분히 커져 있기 때문에, 점선원(NG)의 변형이 생길 예정인 전반사면(74j)의 부분은 빛의 전반사에 사용되지 않게 되어 있고, 인접하는 피치(Pj-1)와의 광 손실의 차이는, 점선원(NG)의 변형의 유무에 관계하지 않게 되어 있다.
이와 같이, 전반사형 프리즘부(71j-1, 71j)가 설치되는 주연측 피치군에 이르기 까지, 수광에 관여하지 않는 굴절형 프리즘부(72i+1 내지 72j)를 설치하도록 함으로써, 점선원(NG)의 변형에 기인한 투과율의 불연속성을 모두 해소할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태 6에 따르면, 피치 마진(△Pn)을 설정하는 스텝(ST6)을 스텝(ST2)의 다음에 설치하고, 피치 마진(△Pn) 분만큼 절삭진행방향으로 절삭개시위치를 옮겨서 부단위 프리즘부 성형틀을 스텝(ST7)에서 절삭하도록 했기 때문에, 부단위 프리즘부를 절삭할 때에, 피치마다의 각 주단위 프리즘간의 곡선(Tn) 선단부에 발생하는 렌즈 성형틀(C)의 변형을 막을 수 있게 되고, 렌즈 성형틀을 설계대로의 형상으로 할 수 있고, 또 렌즈 성형틀로 제조한 프레넬 렌즈의 광학성능을 보증할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시 형태 6에 따르면, 전반사형 프리즘부 및 굴절형 프리즘부로 이루어지는 하이브리드형 프리즘부가 성형된 프레넬 중심측 피치군과, 전반사형 프리즘부만이 성형된 프레넬 주연측 피치군과, 프레넬 중심측 피치군으로부터 상기 프레넬 주연측 피치군으로 피치가 옮겨짐에 따라서, 전반사형 프리즘부의 높이를 일정하게 유지하는 동시에, 굴절형 프리즘부의 높이만을 감소시키는 매개 피치군을 제조할 경우에는, 매개 피치군에 있어서 최소의 높이를 가지고, 수광에 관여하지 않는 굴절형 프리즘부를 더미 프리즘부로 하여 매개 피치군으로부터 프레넬 주연측 피치군의 적어도 일부의 피치까지 절삭하도록 했기 때문에, 전반사면의 변형에 기인한 광 손실에 의해 생기는 투과율의 불연속성을 해소할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 여기에서는, 매개 피치군으로부터 프레넬 주연측 피치군으로 더미 프리즘부를 절삭하도록 했지만, 본 실시 형태 6은 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 하이브리드형 프리즘부(매개 프리즘부를 포함한다)에서 굴절형 프리즘부나 전반사형 프리즘부 등으로, 또 반대로 굴절형 프리즘부나 전반사형 프리즘부 등으로부터 하이브리드형 프리즘부(매개 프리즘부를 포함한다)로, 프리즘부의 형상을 피치마다 변화시켜 갈 경우에, 프리즘부의 형상이 변화되어 가는 적어도 일부의 피치군에 걸쳐서 더미 프리즘부를 연속해서 설치함으로써, 프리즘부 형상의 변화에 의해 생기는 제조오차(예를 들면 곡선 선단부의 변형 등)의 급격한 소멸·발생을 억제하고, 투과율 등의 광학성능의 급격한 변화를 완화시킬 수 있다.
실시 형태 7.
실시 형태 1에서 설명한 바와 같이, 굴절형 프리즘부는 무효면을 구비하고 있고, 이 무효면에서 수광된 입사광속(무효 광선군)은, 프레넬 렌즈 내부에서 미광이 되어 출사면에서 출사되고, 스크린 상에 고스트를 발생시키는 요인이 된다. 또, 입사광의 입사각의 크기에 따라서는, 전반사형 프리즘부로 입사하더라도 전반사면에서 전반사되지 않는 광선(흔히 표현하면, 전반사면을 '헛침' 하는 공진광선)도 존재하고, 이것도 미광이 되어 고스트를 발생시킨다. 본 실시 형태 7에서는, 미광을 흡수해서 고스트를 경감시키는 구성을 입사면측이나 출사면측에 행한 프레넬 렌즈에 대해서 설명한다.
도39는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 프레넬 렌즈의 단면형상을 도시하는 도이며, 무효광선에 기인하는 고스트를 경감시키는 구성을 프레넬 렌즈의 입사측에 설치한 경우이다. 도9와 동일부호는 상당하는 구성이다.
도39에 있어서, 81은 굴절형 프리즘부(3A)의 무효면(3Z, 3Z-1, …)에 각각 설치된 광 흡수층이다.
광 흡수층(81)은, 각 피치의 무효면(3Z, 3Z-1, …)에 입사하는 무효광선(Lie)을 흡수하는 작용을 한다. 무효면(3Z, 3Z-1, …)에 광 흡수층(81)을 설치함으로써, 무효광선에 의한 프레넬 렌즈(1) 내부의 미광의 발생을 막을 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
도40은 본 발명의 실시 형태 7에 따른 프레넬 렌즈의 단면형상을 도시하는 도이며, 무효광선이나 공진광선에 의한 미광을 프레넬 렌즈의 출사면측에서 흡수하는 구성을 도시하고 있다. 도9와 동일부호는 상당하는 구성이다.
도40에 있어서, 82는 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)에 설치된 미광 흡수판이다. 광 흡수판(82)은 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)과 평행한 입사면 및 출사면을 가지는 평행평판이며, 빛을 투과하는 광 투과층(83)과, 빛을 흡수하는 박막의 광 흡수층(84)이, 프레넬 렌즈(1)의 도시하지 않은 광축과 평행이 되도록 교대로 적층되어 있다.
도40에 도시하는 바와 같이, 굴절형 프리즘부(3A)의 입사면(3B)이나 전반사형 프리즘부(4A)의 입사면(4B)으로 수광된 광선(b3, b4)의 광로와 비교하면, 무효면(3Z, 3Z-1, …)으로 입사한 프레넬 렌즈(1) 내부의 미광(be1)이나 전반사형 프리즘부(4A)의 입사면(4B)으로 입사해서 전반사면(4C)을 헛친 공진광선의 미광(be2)은, 프레넬 렌즈(1)의 직경 방향을 향해 더욱 크게 진행하기 때문에, 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)으로부터 출사하여 광선(be1', be2')이 되면, 프레넬 렌즈(1)의 광축과 평행하게 적층된 각 광 흡수층(84)에 의해 흡수되게 된다.
굴절형 프리즘부(3A)의 입사면(3B)이나 전반사형 프리즘부(4A)의 입사면(4B)으로 수광된 광선(b3, b4)도, 출사면(5)으로부터 출사되여 광선(b3', b4')이 되면 그 일부는 광 흡수층(84)에 의해 흡수되지만, 이들 광선(b3', b4')은 프레넬 렌즈(1)의 광축에 대해서 거의 평행하게 출사되기 때문에, 흡수되는 광량은 지극히 사소하다. 대부분의 광선(b3', b4')은 광 투과층(83)을 투과해서 예를 들면 도시하지 않은 렌티큘러로 진행하여, 큰 문제가 되지는 않는다.
또한, 광 투과층(83)과 광 흡수층(84)의 적층구조는, 도41A와 같이 프레넬 렌즈(1)의 광축을 중심으로 하여 동심원상(방사상)으로 해도 좋고, 도41B와 같이 광 투과층(83)이나 광 흡수층(84)이 지면 좌우방향으로 넓어지도록, 광 투과층(83), 광 흡수층(84)을 지면 상하방향으로 적층해도 좋다. 이 경우, 종횡비 3:4의 스크린에 적용하면, 지면 상하방향이 3, 지면 좌우방향이 4에 해당한다.
도41A의 구성을 채용함으로써 미광의 흡수효율을 최선으로 할 수 있고, 도41B의 구성을 채용함으로써 미광 흡수판(82)의 제조가 용이해져, 제조 비용을 경감시킬 수 있게 된다.
또, 광 흡수층(84)의 적층간격(광 투과층(83)의 두께)은, 프레넬 렌즈(1)의 피치 간격에 맞춰도 좋고, 프레넬 렌즈(1)의 광축으로부터의 거리에 따라서 변화시켜도 좋고, 사양에 따라서 자유롭게 설계 가능하다. 부가하면, 광 흡수층(84)의 적층구조는, 프레넬 렌즈(1), 도시하지 않은 렌티큘러의 주기구조와의 간섭에 의한 모아레 줄무늬의 발생을 피하게 하는 피치로 설정해야 한다.
또한, 광 흡수층(84)을 메워넣는 복수의 슬릿을 도41A나 도41B의 적층 패턴으로 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)측에 작성하고, 이들 슬릿에 광 흡수층(84)을 설치해도 좋다. 이 때, 광 흡수층(84)으로서, 상기 복수의 슬릿내에 광흡수성이 있는 도료를 충전함으로써 형성하는 것이 적당하다. 이와 같이, 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)에 미광 흡수판(82)을 일체 성형함으로써, 부품 가지수를 삭감할 수 있게 된다.
도42는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 프레넬 렌즈의 단면형상을 도시하는 도이며, 무효면에서 수광하여 생긴 미광을 프레넬 렌즈의 출사면측에서 흡수하는 구성을 도시하고 있다. 도9, 도40과 동일부호는 상당하는 구성이다.
도42에 있어서, 85는 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)측에 설치된 광 흡수판이며, 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)과 평행한 입사면 및 출사면을 가지는 평행평판이다.
도40에서도 기술한 바와 같이, 미광(be1)이나 미광(be2)은 프레넬 렌즈(1)의 직경방향으로 더욱 크게 진행하기 때문에, 굴절형 프리즘부(3A)의 입사면(3B)이나 전반사형 프리즘부(4A)의 입사면(4B)에서 수광하여 출사면(5)으로부터 출사된 광선(b3', b4')의 광로 길이(B3', B4')와 비교하면, 광 흡수판(85)내의 미광(be1', be2')의 광로길이(BE1', BE2')쪽이 커진다. 이 양자의 광로차 분만큼 광 흡수판(85)에 의해 미광(be1', be2')쪽이 크게 흡수되고, 광 흡수판(85)으로부터 출사할 때의 미광(be1', be2')의 강도를 저하시킬 수 있다.
또, 광 흡수판(85)의 내부(출사면)에서 다중 반사되는 미광(be3, be4)은, 다중 반사의 회수에 따라서 그 광로길이가 더욱 길어져서 크게 흡수되기 때문에, 미광(be1', be2')보다도 강도가 저하하여, 전혀 문제가 되지 않는다.
또한, 광 흡수판(85)의 입사면측에서 반사된 미광(be5, be6)은 프레넬 렌즈(1)의 각 부위에서 (다중)굴절·반사되고 나서 광 흡수판(85)으로 입사하기 때문에, 반사 시에 프레넬 렌즈(1)의 각 부위에서 굴절·반사되서 프레넬 렌즈(1)로부터 출사하는 빛이 굴절·반사의 각 계면에서 받는 손실분만큼 더욱 강도가 저하한다.
이와 같이, 광 흡수판(85)을 이용함으로써, 간단한 구성으로 미광을 흡수할 수 있고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도39 내지 도42의 고스트를 경감시키는 각 구성을 임의로 조합시켜서 미광을 흡수해도 좋다. 예를 들면, 광 흡수층(81)과 미광 흡수판(82)의 조합이나, 광 흡수층(81)과 광 흡수판(85)의 조합을 프레넬 렌즈(1)에 적용함으로써, 미광을 더 흡수할 수 있게 되고, 스크린 상의 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태 7에 따르면, 굴절형 프리즘부(3A)의 무효면(3Z, 3Z-1, …)에 빛을 흡수하는 박막의 광 흡수층(81)을 각각 설치하도록 했기 때문에, 프레넬 렌즈(1) 내부의 미광의 발생을 막을 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시 형태 7에 따르면, 프레넬 렌즈(1)의 광축과 거의 평행이 되도록, 복수의 광 투과층(83) 사이에 복수의 광 흡수층(84)을 적층한 미광 흡수판(82)을 출사면(5)에 구비하도록 했기 때문에, 프레넬 렌즈(1) 내부에서 발생한 미광을 흡수할 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 7에 따르면, 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)에 미광 흡수판(82)을 일체 성형하도록 했기 때문에, 적은 부품 가지수로 미광을 흡수할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시 형태 7에 따르면, 프레넬 렌즈(1)의 광축을 중심으로 해서 동심원상(방사상)으로 광 투과층(83)과 광 흡수층(84)을 적층하도록 했기 때문에, 미광의 흡수효율을 최량으로 할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태 7에 따르면, 광 투과층(83)과 광 흡수층(84)을 한 방향에 대해서 평행하게 적층하도록 했기 때문에, 미광 흡수판(82)의 제조가 용이해지고, 제조 비용을 삭감할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시 형태 7에 따르면, 프레넬 렌즈(1)의 출사면(5)에 광 흡수판(85)를 설치하도록 했기 때문에, 간단한 구성으로 미광을 흡수할 수 있게 되고, 스크린 상에 발생하는 고스트를 경감시킬 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 프레넬 렌즈는, 스크린에 대해서 배면으로부터 화상광을 투영하는 배면 투영형 프로젝션 시스템에 적합하다.

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  29. 빛이 입사하는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면으로 입사한 빛의 일부를 전반사해서 원하는 방향으로 편향시키는 전반사면을 가지는 전반사형 프리즘부를 입광측에 복수개 나란히 배치한 프레넬 렌즈에 있어서,
    상기 전반사형 프리즘부는, 상기 전반사면에서 전반사되지 않는 빛이 입사하는 상기 제2 입사면의 일부에 부단위 프리즘부를 구비하는 동시에,
    상기 부단위 프리즘부는, 입사한 빛을 굴절시켜서 상기 원하는 방향으로 편향시키는 제1 입사면을 구비한 굴절형 프리즘부이며,
    상기 전반사형 프리즘부끼리의 교점과, 상기 전반사형 프리즘부와 상기 부단위 프리즘부의 교점, 또는 상기 전반사형 프리즘부와 상기 부단위 프리즘부의 교점들은 일직선 상에 없는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  30. 제29항에 있어서, 부단위 프리즘부의 제1 입사면을 연장한 면은, 전반사형 프리즘부의 범위내에 있어서, 전반사면 보다도 출광측에 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  31. 제29항에 있어서, 제2 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  32. 제30항에 있어서, 제2 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  33. 입사한 빛을 굴절시켜서 원하는 방향으로 편향시키는 제1 입사면과,
    상기 제1 입사면 이외의 무효면을 가지는 굴절형 프리즘부를 입광측에 복수개 나란히 배치한 프레넬 렌즈에 있어서,
    상기 굴절형 프리즘부는, 프레넬 주연측에 인접한 상기 무효면으로 입사되는 빛을 수광하는 부단위 프리즘부를 상기 제1 입사면에 구비하고,
    상기 부단위 프리즘부는, 빛을 수광하는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 수광한 빛을 전반사해서 원하는 방향으로 편향시키는 전반사면을 구비한 전반사형 프리즘부이며,
    상기 굴절형 프리즘부끼리의 교점과, 상기 굴절형 프리즘부와 상기 부단위 프리즘부와의 교점, 또는 상기 굴절형 프리즘부와 상기 부단위 프리즘부와의 교점들은 일직선 상에 없는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  34. 제33항에 있어서, 부단위 프리즘부의 제2 입사면을 연장한 면은, 굴절형 프리즘부의 범위내에 있어서, 무효면보다도 출광측에 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  35. 제33항에 있어서, 제1 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  36. 제34항에 있어서, 제1 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율이 변화하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  37. 제29항에 기재된 프레넬 렌즈를 제1의 범위로서 구비하는 동시에,
    입사된 빛을 굴절시켜 원하는 방향으로 편향하는 제1 입사면과, 상기 제1 입사면 이외의 무효면을 갖는 굴절형 프리즘부를 입광측에 복수 나란히 배치하고,
    상기 굴절형 프리즘부는, 프레넬 주연측에 인접한 상기 무효면으로 입사하는 빛을 수광하는 부단위 프리즘부를 상기 제1 입사면에 구비하고,
    상기 부단위 프리즘부는, 빛을 수광하는 제2 입사면과, 상기 제2 입사면에서 수광된 빛을 전반사하여 원하는 방향으로 편향하는 전반사면을 구비한 전반사형 프리즘부로 하는 제2의 범위를 구비하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  38. 제37항에 있어서, 제1 범위에 있어서의 제2 입사면에 차지하는 부단위 프리즘부의 비율은, 상기 제1 범위와 제2 범위의 경계에 가까울수록 많고, 상기 경계에서 멀어질수록 적어지고,
    상기 제2 범위에 있어서의 제1 입사면에 차지하는 상기 부단위 프리즘부의 비율은, 상기 경계에 가까울수록 많고, 상기 경계에서 멀어질수록 적어지는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  39. 제29항에 있어서, 입광측의 면에 설치된 프레넬 렌즈의 출광측의 면에, 상기 프레넬 렌즈와 다른 제2 프레넬 렌즈를 설치하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  40. 제33항에 있어서, 입광측의 면에 설치된 프레넬 렌즈의 출광측의 면에, 상기 프레넬 렌즈와 다른 제2 프레넬 렌즈를 설치하는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈.
  41. 제29항에 기재된 프레넬 렌즈와,
    상기 프레넬 렌즈의 출광측의 면에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광 확산수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크린.
  42. 제33항에 기재된 프레넬 렌즈와,
    상기 프레넬 렌즈의 출광측의 면에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광 확산수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크린.
  43. 제39항에 기재된 프레넬 렌즈와,
    상기 프레넬 렌즈의 출광측에 구비되어, 상기 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광 확산수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크린.
  44. 제40항에 기재된 프레넬 렌즈와,
    상기 프레넬 렌즈의 출광측에 구비되어, 상기 프레넬 렌즈로부터 출광된 빛을 확산시키는 광 확산수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스크린.
  45. 제41항에 기재된 스크린과,
    화상광을 발하는 화상광원과,
    상기 화상광원으로부터 발한 상기 화상광을 상기 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상표시장치.
  46. 제42항에 기재된 스크린과,
    화상광을 발하는 화상광원과,
    상기 화상광원으로부터 발한 상기 화상광을 상기 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상표시장치.
  47. 제43항에 기재된 스크린과,
    화상광을 발하는 화상광원과,
    상기 화상광원으로부터 발한 상기 화상광을 상기 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상표시장치.
  48. 제44항에 기재된 스크린과,
    화상광을 발하는 화상광원과,
    상기 화상광원으로부터 발한 상기 화상광을 상기 스크린으로 투영하는 투영광학수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상표시장치.
  49. 프레넬 렌즈의 피치마다 형성되는 굴절형 프리즘부 및 전반사형 프리즘부의 반전형상을 렌즈 성형틀에 대해서 바이트로 절삭하는 렌즈 성형틀 제조방법에 있어서,
    상기 굴절형 프리즘부의 반전형상을 상기 절삭대상 피치에 대하여 상기 바이트로 절삭하는 주단위 프리즘부 절삭 스텝과,
    상기 전반사형 프리즘부의 전반형상을 상기 절삭대상 피치에 대하여 상기 바이트로 절삭하는 동시에,
    상기 전반사형 프리즘부의 반전형상에 있어서의 전반사면을 연장한 면이, 상기 절삭대상 피치와, 상기 절삭대상 피치보다도 상기 프레넬 중심측의 인접 피치와 이루는 곡선을 통과 또는 상기 곡선보다도 출광측이 되도록 하는 부단위 프리즘부 절삭스텝을 소정의 피치수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 렌즈 성형틀 제조방법.
  50. 프레넬 렌즈의 피치마다 형성되는 굴절형 프리즘부 및 전반사형 프리즘부의 반전형상을 렌즈 성형틀에 대해서 바이트로 절삭하는 렌즈 성형틀 제조방법에 있어서,
    상기 전반사형 프리즘부의 반전형상을 상기 절삭대상 피치에 대해서 상기 바이트로 절삭하는 주단위 프리즘부 절삭 스텝과,
    상기 굴절형 프리즘부의 반전형상을 상기 절삭대상 피치에 대해서 상기 바이트로 절삭하는 동시에,
    상기 굴절형 프리즘부의 반전형상에 있어서의 제1 입사면을 연장한 면이, 상기 절삭 대상 피치와, 상기 절삭 대상피치보다도 상기 프레넬 주연측의 인접 피치가 이루는 곡선을 통과 또는 상기 곡선보다도 출광측이 되도록 하는 부단위 프리즘부 절삭 스텝을 소정의 피치수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 렌즈 성형틀 제조방법.
  51. 제49항에 있어서, 프레넬 중심측으로부터 프레넬 주연측으로의 절삭진행방향으로, 전반사형 프리즘부, 굴절형 프리즘부의 순으로 피치마다 절삭을 행할 경우에는,
    상기 피치마다 피치 마진을 설정하는 피치 마진 설정스텝을 부단위 프리즘부 절삭 스텝 전에 구비하는 동시에,
    상기 부단위 프리즘부 절삭 스텝에서는, 상기 피치 마진분만큼 상기 절삭진행방향으로 절삭개시위치를 옮겨서 상기 굴절형 프리즘부를 상기 피치마다 각각 절삭하는 것을 특징으로 하는 렌즈 성형틀 제조방법.
  52. 제50항에 있어서, 프레넬 주연측으로부터 프레넬 중심측으로의 절삭진행방향으로, 굴절형 프리즘부, 전반사형 프리즘부의 순으로 피치마다 절삭을 행하는 경우에는,
    상기 피치마다 피치 마진을 설정하는 피치 마진 설정스텝을 부단위 프리즘부 절삭 스텝 전에 구비하는 동시에,
    상기 부단위 프리즘부 절삭스텝에서는, 상기 피치 마진 분만큼 상기 절삭진행방향으로 절삭개시위치를 옮겨서 상기 전반사형 프리즘부를 상기 피치마다 각각 절삭하는 것을 특징으로 하는 렌즈 성형틀 제조방법.
  53. 제50항에 있어서, 수광에 관여하지 않는 높이를 광축방향으로 가지는 더미 프리즘부의 반전형상을 적어도 일부의 피치군에 연속해서 절삭하는 것을 특징으로 하는 렌즈 성형틀 제조방법.
  54. 제49항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 상기 수지가 경화되면, 상기 경화된 수지로부터 상기 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
  55. 제50항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 상기 수지가 경화되면, 상기 경화된 수지로부터 상기 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
  56. 제51항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 상기 수지가 경화되면, 상기 경화된 수지로부터 상기 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
  57. 제52항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 상기 수지가 경화되면, 상기 경화된 수지로부터 상기 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
  58. 제53항에 기재된 렌즈 성형틀 제조방법에 의해 제조된 렌즈 성형틀에 수지를 부어 넣고, 상기 수지가 경화되면, 상기 경화된 수지로부터 상기 렌즈 성형틀을 떼어내어 렌즈를 형성하는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조방법.
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