CN1151386C - 菲涅耳透镜片 - Google Patents
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Abstract
提供一种使菲涅耳透镜片的同心圆状透镜的中心附近发生的不需要的光线减少并可消除在屏幕中心部的白色斑点的发生的菲涅耳透镜片。该菲涅耳透镜片用于背面投射型图像显示装置的屏幕中，其中，菲涅耳透镜片中的同心圆状菲涅耳透镜的透镜间距在同心圆的中心部与在菲涅耳透镜片的周边部中是不同的，在该中心部的透镜间距比在该周边部的透镜间距大。
Description
技术领域
本发明涉及背面投射型图像显示装置中使用的菲涅耳透镜片。
背景技术
背面投射型图像显示装置(以下，有时称为「透射型PTV」)是通过使用投射透镜将来自阴极射线管(以下，有时称为「CRT」)、液晶面板等的光学图像从屏幕的背面进行放大及投射来显示大画面的图像的图像显示装置。在图10中示出这样的透射型PTV的结构。在CRT方式中，如该图中所示，投射透镜2将红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)这3色的CRT1投射的光学图像放大，被放大的光学图像在屏幕3上成像。在此，屏幕3一般使用由具有使光线在观察者的方向上聚光的功能的菲涅耳透镜片4和具有使来自菲涅耳透镜片4的光线在水平方向和垂直方向上发散的功能的双凸透镜片6构成的结构。
在背面投射型图像显示装置的屏幕中使用的菲涅耳(Fresnel)透镜片4，如图11中示意性地示出的那样，具有将凸透镜(图11(A))的透镜面分割为同心圆状并将其配置在平板上的结构(图11(B))，起到凸透镜的作用。在菲涅耳透镜片4的透镜面上存在相当于凸透镜的透镜面的菲涅耳面4x和位于被分割的各菲涅耳面间的的上升(rising)面4y。而且，如图12中所示，将与菲涅耳透镜片4的透镜片面5平行的直线(在图12中用点划线示出)与菲涅耳面4x的夹角称为菲涅耳角η，将菲涅耳透镜片4的法线方向与上升面4y的夹角称为上升角θ。
另一方面，如图13中示出其斜视图那样，将在垂直方向上延伸的多个双凸透镜7排列起来而构成双凸透镜片6，由此，光线在水平方向发散。此外，在观察者一侧设置了在垂直方向上延伸的黑条8，由此，通过吸收不需要的光改善了对比度。以相等的周期来排列上述双凸透镜7和黑条8。
菲涅耳透镜片通常用2P(Photo-polymer光聚合物)法或冲压法来制造，在这两种方法中使用了用车床对金属板等进行切削以形成恒定间距的槽而得到的金属模具。在上述金属模具的切削中，使用具有约30°～90°的刀尖角的车刀。在图14中示意性地示出用车刀切削金属模具时的状况。利用由车刀9的前端9a切削的面(在图14中示出的金属模具10的面y)形成菲涅耳透镜的上升面，利用由车刀9的切削面9b切削的面(在图14中示出的面x)形成菲涅耳透镜的菲涅耳面。
在使用车刀的金属模具的切削时，产生车刀的磨损、金属模具的变形等，往往有切削刚开始后被切削的金属模具的切削面的形状与切削刚结束前被切削的金属模具的切削面的形状不同的情况。此外，在利用2P法或冲压法制造菲涅耳透镜片时，也有不能准确地复制金属模具的形状的情况。在上述哪一种情况下制造的菲涅耳透镜片的菲涅耳面的形状与按照在光学方面成为最佳而设计的设计值的形状存在微小的差别。这样，由于不能得到如设计值那样的菲涅耳透镜片的菲涅耳面的形状，故往往发生非预期的、不需要的光线。如果该不需要的光线在菲涅耳透镜片的中央附近(同心圆的中心附近)发生，则对观察者来说成为不舒服的亮度不匀而能看到(以下，有时将该亮度不匀称为「白色斑点white spot」)。例如，对透射型PTV输入全白色信号，站在离正面1.5m的位置上观察屏幕时，有时在菲涅耳透镜片的同心圆的中心的稍上方在直径为5mm至15mm的位置上可观察到椭圆状的白色斑点。
但是，一般来说，将菲涅耳透镜片中的同心圆状透镜的恒定的间距(将其简称为「PF」)与双凸透镜片中的双凸透镜的恒定的排列周期(将其简称为「PL」)的比设定为可减轻波纹(moire)的发生那样的值。例如，在特开昭59-95525号公报中，记载了通过将PF与PL的比设定为N+0.35～0.43或1/(N+0.35～0.43)(其中，N是2～12的自然数)的范围内可降低波纹的情况。
近年来，为了与高清晰度电视等高图像质量的图像相对应，减小了双凸透镜的排列周期，为了避免波纹的发生，与其相一致地也进行了菲涅耳透镜片中的同心圆状透镜间距的微细化。如果进行菲涅耳透镜片中的同心圆状透镜间距的微细化，则每单位长度的菲涅耳透镜片的同心圆状槽的条数增加，成为白色斑点的原因的使不需要的光线发生的菲涅耳面变形部也增加。因而，伴随菲涅耳透镜片中设置的恒定间距的透镜的微细化的进展，白色斑点的问题变得越来越重要了。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而进行的，其目的在于提供这样一种菲涅耳透镜片，它使菲涅耳透镜片的同心圆状透镜的中心附近发生的不需要的光线减少，可消除在屏幕中心部的白色斑点的发生。
解决上述的问题的本发明的菲涅耳透镜片是在背面投射型图像显示装置的屏幕中使用的菲涅耳透镜片，其特征在于：菲涅耳透镜片中的同心圆状菲涅耳透镜的透镜间距在同心圆的中心部与在菲涅耳透镜片的周边部中是不同的，在该中心部的透镜间距比在该周边部的透镜间距大。在此，一般来说，上述的中心部是离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离为不到20mm的区域，周边部是上述中心部的外周部分。而且，本发明在上述的中心部(离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离为不到20mm的区域)中的透镜间距为0.1mm以上的情况下特别有效。例如，通过设置根据离中心的距离同心圆状菲涅耳透镜的透镜间距连续地或分段地(呈阶梯状)减小的区域，能使同心圆状菲涅耳透镜的中心部中的透镜间距比在周边部中的透镜间距增大，但此时根据离中心的距离透镜间距连续地或分段地减小的区域只是一部分，在其它的区域中，与离中心的距离无关，透镜间距也可以是恒定的。在本发明的菲涅耳透镜片的中心部中的透镜间距最好比组合在一起用于背面投射型图像显示装置的双凸透镜片的透镜间距小。
附图说明
图1是示出菲涅耳透镜周边部的光线的路径的图。
图2是示出菲涅耳透镜中心部附近的光线的路径的图。
图3是示出存在变形部时的菲涅耳透镜周边部的光线的路径的图。
图4是示出存在变形部时的菲涅耳透镜中心部附近的光线的路径的图。
图5是示出透射型PTV屏幕的波纹的发生位置的概略图。
图6是说明菲涅耳透镜片中发生的明暗条纹的图。
图7是示出本发明的各实施例中的菲涅耳透镜片的离菲涅耳透镜中心的距离(菲涅耳半径)与菲涅耳透镜间距的关系的图。
图8是示出比较例中的菲涅耳透镜片的离菲涅耳透镜中心的距离与菲涅耳透镜间距的关系的图。
图9是示出各实施例和比较例的菲涅耳透镜片中的中心部的上升面形状的图。
图10是使用了背面透射型屏幕的透射型PTV的概略构成图。
图11是示意性地示出菲涅耳透镜片的剖面的图。
图12是菲涅耳透镜片的局部放大剖面图。
图13是双凸透镜片的概略斜视图。
图14是制造菲涅耳透镜片用的金属模具的切削时的示意图。
具体实施方式
如上所述，由于在金属模具的切削时产生的车刀的磨损、金属模具的变形、因2P法等引起的在菲涅耳透镜片的制造时不能准确地复制金属模具的形状的情况，故不能得到如设计值那样的菲涅耳透镜片的菲涅耳面的形状，往往发生非预期的、不需要的光线在菲涅耳透镜中心附近发生明亮的不需要的光线的原因，如以下所说明。
首先，如图11中所示，在屏幕中使用的菲涅耳透镜片4具有将凸透镜的透镜面分割为同心圆状并将其配置在平板上的结构。在图1中示出入射到菲涅耳透镜片的周边部上的来自CRT等的光线的路径，在图2中示出入射到菲涅耳透镜片的中心部上的光线的路径。从作为透射型PTV的构成图的图10可容易地理解，入射到菲涅耳透镜的周边部上的光线(图1的光线L1)以比入射到菲涅耳透镜的中心部上的光线(图2的光线L2)大的入射角度入射到菲涅耳透镜上。因为被菲涅耳透镜的上升面4y遮住的光线L1或L2不到达菲涅耳面4x，故光线不通过在图1中用W1示出的区域、在图2中用W2示出的区域。如果比较图1的W1的长度与图2的W2的长度，则可明白，光线不通过的区域的宽度在菲涅耳透镜的中心部比在菲涅耳透镜的周边部窄。在图5中，如果用D表示光线不通过的区域的宽度，用B表示光线通过的区域的宽度，则相对于透镜间距P的光线不通过的区域的宽度D的比率在菲涅耳透镜的中心部是接近于0％的值，但在一般的菲涅耳透镜片的周边部，该比率约为50％。
由于在金属模具的切削时的车刀的磨损、金属模具的变形、因2P法等引起的在菲涅耳透镜片的制造时不能准确地复制金属模具的形状的情况菲涅耳透镜的形状偏离设计值的程度(大小)不随菲涅耳透镜的位置不同而有特别的差别，在菲涅耳透镜的中心部和周边部，其大小不变。在此，如示出菲涅耳透镜的周边部的图3、示出菲涅耳透镜的中心部的图4中都用4z表示的那样，在菲涅耳透镜的中心部和周边部中产生相同的大小的偏离菲涅耳透镜形状的设计值的偏移，假定产生了变形部4z。因为光线不通过的区域的宽度在菲涅耳透镜的中心部比在菲涅耳透镜的周边部窄，故在示出菲涅耳透镜的周边部的图3中，变形部4z容纳于光线不通过的区域W1的范围内，变形部4z存在这一点对菲涅耳透镜片的光学性能没有任何影响。另一方面，在光线不通过的区域较窄的中心部(图4)中，变形部4z超过了光线不通过的区域W2。因而，光线L2的一部分通过变形部4z，发生非预期的、不需要的光线L3。这样，在菲涅耳透镜的中心部和周边部中，起因于光线不通过的区域的大小原来就不同这一点，在菲涅耳透镜的中心部中，与周边部相比，容易发生非预期的、不需要的光线。
本发明的菲涅耳透镜片在透镜间距很微细的情况下，起到特别好的效果。以下说明其原因。
一般认为，不需要的光线与菲涅耳透镜片中产生的微小的变形部的密度(每单位面积的变形部所占的面积)成正比而增加。而且，一般认为，菲涅耳透镜片中产生的微小变形部的密度与菲涅耳透镜片每单位长度的同心圆状槽的条数成正比。因而，菲涅耳透镜的透镜间距被微细化的同时，不需要的光线的发生就增加。但是，一般来说，在透射型PTV的屏幕中，将菲涅耳透镜片与双凸透镜片组合起来使用。因而，在菲涅耳透镜片中发生的不需要的光线L3不是按原样到达观察者而被观察到，而是由双凸透镜片在水平方向和垂直方向上发散。通过用双凸透镜片使光线发散，有时观察者的眼睛不能觉察到白色斑点。
下述的表1示出了对于透射型PTV的一例、将双凸透镜片与具有各自不同的恒定的透镜间距的5种菲涅耳透镜片组合起来观察白色斑点的外观的结果。由此可知，菲涅耳透镜片的透镜间距的大小与白色斑点的外观之间有关，在对透镜间距进行微细化使得菲涅耳透镜间距为0.1mm以下的情况下，容易看到白色斑点。
【表1】
| 菲涅耳透镜的透镜间距(mm) | 白色斑点的外观 |
| 0.14 | ○ |
| 0.12 | △ |
| 0.10 | △ |
| 0.08 | × |
| 0.07 | × |
○：观察不到白色斑点
△：可稍许观察到白色斑点
×：可显著地观察到白色斑点
近年来，由于进行了因高清晰度电视等引起的图像的高精细化，故进行了双凸透镜片的透镜间距的微细化。与此相随，也必须进行菲涅耳透镜片的透镜间距的微细化。在现有的菲涅耳透镜片中，透镜间距是约0.1mm～0.15mm的恒定值，与此不同，为了与图像的高精细化对应，已开发的菲涅耳透镜片的透镜间距大致不到0.1mm。在这样的微小的透镜间距的菲涅耳透镜片中，如表1中所示，存在容易看到白色斑点的趋势。
因而，在具有这样的微小的透镜间距的菲涅耳透镜片中，最好应用减小外周部的透镜间距的本发明。在离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离为不到20mm的区域、即中心部中的透镜间距为0.1mm以上、在离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离为30mm以上的区域、即周边部中的透镜间距为0.15mm以下的情况下，本发明特别有效。
在本发明中，由于在菲涅耳透镜片上形成不同的间距的透镜，故产生透镜间距变化的区域。如果使透镜间距急剧地变化，则观察到因不同的菲涅耳透镜形状邻接引起的不舒服的明暗，故是不理想的。因而，本发明的菲涅耳透镜片最好具有根据离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离同心圆状菲涅耳透镜的透镜间距连续地减小的区域，但也可具有根据离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离呈阶梯状地减小的区域，此时，最好形成尽可能多的阶梯来减小透镜间距变化的程度。
再有，在透射型PTV的屏幕上被观察到的波纹的位置，如图6中所示，只在水平方向的周边部(在图6中用11示出波纹)，在屏幕的中心部附近观察不到波纹。波纹是由于在菲涅耳透镜片和双凸透镜片中分别产生明暗条纹而发生的。即，在双凸透镜片中，周期性地设置了如图13中示出的在垂直方向上延伸的黑条8。由此，在双凸透镜片的水平方向上产生周期性的明暗条纹。此外，如上所述，由于在菲涅耳透镜片中存在光线不通过的区域，故发生明暗的条纹。由于该菲涅耳透镜片的同心圆状的明暗和双凸透镜片的水平方向的周期性的暗线的缘故，在水平方向上发生波纹。而且，在菲涅耳透镜片的中心部中，由于菲涅耳透镜的光线不通过的区域少，故难以观察到波纹。因而，在菲涅耳透镜中心部中，没有利用与双凸透镜片的黑条周期的关系，将透镜间距设定为不发生波纹那样的条件的必要。因而，根据本发明，在使菲涅耳透镜片的同心圆状的菲涅耳透镜的透镜间距在同心圆的中心部和周边部中不同的情况下，也将菲涅耳透镜片的周边部的透镜间距设定为不使波纹产生的值，即可。但是，在双凸透镜片的间距与菲涅耳透镜片的透镜间距相等的情况下，由于即使在中心部观察到波纹，故使菲涅耳透镜的间距比与其组合起来使用的双凸透镜片的间距小，也是较为理想的。
本发明的菲涅耳透镜片与双凸透镜片组合起来构成屏幕，将CRT或液晶面板等、投射透镜以及该屏幕组合起来构成透射型PTV。
以下，通过实施例，具体地说明本发明的菲涅耳透镜片。在此，在投射距离为850mm的透射型PTV中使用的屏幕中，使用了本发明的菲涅耳透镜片。与本发明的菲涅耳透镜片组合起来的双凸透镜片的峰值增益为9.7。菲涅耳透镜片中的菲涅耳透镜的焦距从同心圆状透镜的中心朝向最外周从740mm到840mm逐渐变大。在图7(A)～(E)中示出了以下的各实施例的菲涅耳透镜片中的离菲涅耳透镜的中心的距离(菲涅耳透镜的半径)与菲涅耳透镜间距的关系。各实施例的菲涅耳透镜片分别为下述的结构。再有，各实施例和比较例的菲涅耳透镜片中的中心部的上升面形状是图9中示出的形状，上升面的长度约为2μm。
(实施例1)
在实施例1中，使用了这样的菲涅耳透镜片，在离菲涅耳透镜的中心的距离为不到15mm的菲涅耳透镜中心部中的透镜间距为恒定值，在周边部中透镜间距线性地减少到某个值为止。具体地说，是这样的菲涅耳透镜片(图7(A))，即，离菲涅耳透镜的中心的距离从30mm到最外周部为止透镜间距为0.07mm的恒定值，离菲涅耳透镜的中心的距离到15mm为止透镜间距为0.16mm的恒定值，离菲涅耳透镜的中心的距离从15mm到30mm为止透镜间距从0.16mm线性地变化到0.07mm。
(实施例2)
在实施例2中，使用了这样的菲涅耳透镜片，在菲涅耳透镜片的周边部中透镜间距为恒定值，根据离菲涅耳透镜的中心的距离透镜间距线性地减少到该恒定值为止。具体地说，是这样的菲涅耳透镜片(图7(B))，即，在菲涅耳透镜的中心处的透镜间距为0.24mm，离菲涅耳透镜的中心的距离从30mm到最外周部为止透镜间距为0.07mm的恒定值，在这之间透镜间距线性地变化。
(实施例3)
在实施例3中，使用了这样的菲涅耳透镜片，在离菲涅耳透镜的中心的距离为不到15mm的菲涅耳透镜中心部中的透镜间距为恒定值，在周边部中透镜间距平滑地减少到某个值为止。具体地说，是这样的菲涅耳透镜片(图7(C))，即，离菲涅耳透镜的中心的距离从30mm到最外周部为止透镜间距为0.07mm的恒定值，离菲涅耳透镜的中心的距离到15mm为止透镜间距为0.16mm的恒定值，离菲涅耳透镜的中心的距离从15mm到30mm为止透镜间距从0.16mm平滑地变化到0.07mm。
(实施例4)
在实施例4中，使用了这样的菲涅耳透镜片，在菲涅耳透镜片的周边部中透镜间距为恒定值，根据离菲涅耳透镜的中心的距离透镜间距平滑地减少到该恒定值为止。具体地说，是这样的菲涅耳透镜片(图7(D))，即，在菲涅耳透镜的中心处的透镜间距为0.40mm，离菲涅耳透镜的中心的距离从30mm到最外周部为止透镜间距为0.07mm的恒定值，在这之间透镜间距平滑地变化。
(实施例5)
在实施例5中，使用了这样的菲涅耳透镜片，在菲涅耳透镜片的周边部中透镜间距为恒定值，根据离菲涅耳透镜的中心的距离透镜间距呈阶梯状地减少到该恒定值为止。具体地说，是这样的菲涅耳透镜片(图7(E))，即，在菲涅耳透镜的中心处的透镜间距为0.16mm，离菲涅耳透镜的中心的距离从30mm到最外周部为止透镜间距为0.07mm的恒定值，在这之间透镜间距呈阶梯状地变化。
各实施例中的白色斑点和屏幕中心部附近的波纹的评价结果，如表2中所示。在表2中示出的评价结果是通过将本发明的菲涅耳透镜片和双凸透镜片组合起来安装在透射型PTV上、输入标准电压的全白色信号、在离屏幕的正面为1.5m的距离、高度约为1.5m的位置上观察得到的。
【表2】
| 白色斑点评价 | 波纹评价 | 菲涅耳透镜间距的图形 | |
| 实施例1 | ○ | ○ | 图7(A) |
| 实施例2 | ○ | ○ | 图7(B) |
| 实施例3 | ○ | ○ | 图7(C) |
| 实施例4 | ○ | ○ | 图7(D) |
| 实施例5 | ○ | ○ | 图7(E) |
| 比较例 | × | ○ | 图8 |
○：观察不到白色斑点(波纹)
×：可显著地观察到白色斑点
(比较例)
在比较例中，使用了在菲涅耳透镜片的整个面上透镜间距为恒定值的菲涅耳透镜片。具体地说，从菲涅耳透镜的最外周部到菲涅耳透镜中心为止的透镜间距为0.07mm，是恒定的。
如表2中所示，在比较例中观察到白色斑点，与此不同，在实施例1～5中观察不到白色斑点。此外，与比较例相同，在实施例1～5中也观察不到波纹。
如果是本发明的菲涅耳透镜片，则可使菲涅耳透镜片的同心圆状透镜的中心附近发生的不需要的光线减少，可消除在屏幕中心部处的白色斑点的发生。
Claims (7)
1.一种在背面投射型图像显示装置的屏幕中使用的菲涅耳透镜片，其中
菲涅耳透镜片中的同心圆状菲涅耳透镜的透镜间距在同心圆的中心部与在菲涅耳透镜片的周边部中是不同的，在该中心部的透镜间距比在周边部的透镜间距大，并且在所述周边部的透镜间距是恒定的。
2.如权利要求1中所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
中心部是离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离为不到20mm的区域，该中心部中的透镜间距为0.1mm以上。
3.如权利要求1或2中所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
具有根据离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离透镜间距连续地减小的区域。
4.如权利要求1或2中所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
具有根据离同心圆状菲涅耳透镜的中心的距离透镜间距呈阶梯状地减小的区域。
5.如权利要求1至4的任一项中所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：
在中心部中的透镜间距比组合在一起使用的双凸透镜片的透镜间距小。
6.如权利要求1中所述的菲涅耳透镜片，其特征在于所述周边部距所述透镜片的中心不小于20mm。
7.如权利要求1中所述的菲涅耳透镜片，其特征在于在透镜片的同心圆状菲涅耳透镜的中心部中，透镜间距随透镜片上透镜的半径增加而减小。
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