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CN1770005A - 图像显示装置以及它所使用的菲涅尔透镜片和屏幕 - Google Patents

图像显示装置以及它所使用的菲涅尔透镜片和屏幕 Download PDF

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CN1770005A
CN1770005A CNA2005100928976A CN200510092897A CN1770005A CN 1770005 A CN1770005 A CN 1770005A CN A2005100928976 A CNA2005100928976 A CN A2005100928976A CN 200510092897 A CN200510092897 A CN 200510092897A CN 1770005 A CN1770005 A CN 1770005A
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Abstract

本发明提供一种图像显示装置以及它所使用的菲涅尔透镜片和屏幕，消除了向背面投影型屏幕倾斜投影放大图像光而得到投影图像的图像显示装置中的投影图像的亮度不均匀，本发明的图像显示装置是，在进深狭小的框体(7)内，通过包含投影透镜(2)、曲面反射镜(4、5)、反射镜(6)的投影光学系统从背面投影型屏幕(3)的背面透射来自图像发生源(1)的图像的图像显示装置。本发明的背面投影型屏幕包括菲涅尔透镜片(8)，而且，将构成菲涅尔透镜片的菲涅尔透镜的棱镜面形成为非球面形状，至此，来自屏幕的光线基本遍及整个面并将射出角度形成为大致零度。通过这样，能够得到整体亮度均匀的投影图像，而且，能够实现图像显示装置的薄型化。

Description

图像显示装置以及它所使用的菲涅尔透镜片和屏幕
技术领域
本发明涉及一种使用从斜方向向背面投影型屏幕投影图像发生源的图像的倾斜投影光学系统的投影型图像显示装置，以及该图像显示装置所使用的菲涅尔透镜片和背面投影型屏幕。
背景技术
为了与投影型图像显示装置的薄型化对应，已经知道了使用反射镜从相对屏幕的斜方向投影放大图像的构成，即所谓的使用倾斜投影光学系统的构成。此时，放大图像相对屏幕倾斜投影(即屏幕主平面的垂线和放大图像的中央的光入射方向形成规定的角度)，所以，投影在屏幕上的图像变形。这里，为了修正该变形，例如根据特开2002-341452号公报已经知道在上述反射镜的一部分采用由弯曲面形成的曲面反射镜的图像显示装置的构成。
通常，在上述图像显示装置中，如果该画面尺寸相同，其纵深薄的程度、重量、成本、设置空间等方面是有利的。即，在上述现有技术中，为了降低图像显示装置的纵深，对屏幕倾倾斜投影放大图像。结果，为了修正由于该倾斜的图像投影所产生的梯形形状的图像变形，采用了使用在光路中设置上述曲面反射镜的投影光学系统的构成。
可是，优选是在屏幕上不管观察它的位置而得到其整个面均匀亮度的图像。为此，需要来自投影透镜的放大图像光在从该屏幕射出时，相对上述观察侧大致平行。为了实现该目的，通常情况下，使用具有原始面带有球面棱镜面的同心圆状菲涅尔透镜的菲涅尔透镜片，来作为上述屏幕的一个构成元件。这里，原始面是指：由连接菲涅尔透镜片整体的各个棱镜面的曲线，即由菲涅尔透镜片整体的全部棱镜面的集合的包络线所形成的假想的面。通过将该原始面形成为球面，能够使从投影透镜的射出孔放射状向屏幕各个点投影的图像光，通过各个棱镜面沿着与屏幕垂线平行的方向折射，遍及屏幕的整个面使射出光平行(即为与屏幕垂线平行的方向)。
但是，在上述现有技术中能够产生下面的问题。即从投影透镜射出孔向着屏幕的图像光通过倾斜投影光学系统所包含的曲面反射镜反射时，根据该曲面反射镜的反射位置，向着屏幕的入射光的角度变化。即，在使用上述倾斜投影光学系统的情况下，从投影透镜的射出孔向着屏幕的图像光，不是一样地放射。为此，利用上述的原始面是球面的菲涅尔透镜片，在屏幕的整个面上使得来自投影透镜的放大图像光大致平行地射出是困难的。因此，来自菲涅尔透镜片的射出角度是不均匀的，在从观察侧看它的情况下，会产生在屏幕上投影的图像的亮度是不均匀的问题。
发明内容
本发明提供了一种缩短装置的纵深、使得向屏幕上投影的图像的亮度更均匀的技术。
本发明的特征在于，将在上述菲涅尔透镜片上形成的菲涅尔透镜的原始面，形成为与光线对上述屏幕的入射角对应的非球面形状。此时，各个棱镜面的菲涅尔角是，与菲涅尔透镜片下部相比上部的菲涅尔角大。通过这样，能够使得向所述菲涅尔透镜片的入射面入射的投影图像，遍及所述屏幕的大致整个面，从该菲涅尔透镜片的射出面以射出角大致0度射出。
优选，上述菲涅尔透镜形成为以同一点为中心的同心圆状，该中心点位于所述屏幕(图像显示区域)的外侧。另外，优选，用于对屏幕倾斜投影放大图像的投影光学部，包括用于修正由于向屏幕的倾斜投影导致的变形和像差的曲面的、折射型自由曲面和/或反射型自由曲面的至少一个。
如根据上述这样的构成，既使在使用具有用于修正由于倾斜投影产生的梯形形状的图像变形的曲面的投影光学系统的情况下，也能够对应于起因于来自该曲面的反射的向屏幕的入射光线的入射角的变化。即，既使产生这样的入射角的变化，根据与此对应的具有菲涅尔角的菲涅尔透镜，能够使得入射光线沿着与屏幕垂线基本平行的方向(与屏幕主平面垂直的方向)折射，射出。因此，如按本发明的构成，能够遍及屏幕的整体，使射出光的射出方向汇聚成与屏幕垂线大致平行，实现了图像显示装置的纵深尺寸的降低，能够得到均匀亮度的投影图像。
如根据本发明，能够缩短装置的纵深，且使得向屏幕上投影的图像的亮度更均匀地显示高画质的图像。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的图像显示装置的构成的一个例子的截面图。
图2是本实施方式的背面投影型屏幕的立体图。
图3是说明本实施方式的菲涅尔透镜片中设定构成菲涅尔透镜的棱镜部形状的方法的图。
图4是表示本实施方式的背面投影型屏幕的入射光线的入射角度的分布的图。
图5是表示本实施方式的背面投影型屏幕的射出光线的射出角度的分布的图。
图6是表示本实施方式的菲涅尔透镜片的棱镜面和原始面的关系的图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。
首先，附图1是本发明的图像显示装置的截面立体图。在图中，图像发生源1也可以包括例如投影型布劳恩管。另外，也可以包含反射型/透过型液晶面板、或者具有多个微小的反射镜的显示元件等的图像调制元件。在使用这样的图像调制元件的情况下，图像发生源还包括用于向该图像调制元件照射光的水银灯等光源，图像调制元件对应于输入图像信号对每个像素调制来自该光源的光，来形成图像。通过这样，在图像发生源1的显示画面上显示小型图像。用于将该小型图像向背面投影型屏幕3放大投影的投影光学系统，从图中可明白，包括：作为图像放大部的投影透镜2，用于向背面投影型屏幕3放大、投影所述图像；第一曲面反射镜4，反射从该投影透镜射出的图像光；第二曲面反射镜5，反射由该第一曲面反射镜4反射的图像光；例如平面状反射镜6，为了降低图像显示装置的纵深，反射由所述第二曲面反射镜5反射的图像光。这些投影透镜2、第一曲面反射镜4、第二曲面反射镜5和平面状反射镜6，设置在从图像发生源1到背面投影型屏幕3的光路途中。而且，这些元件收纳在图像显示装置的框体7的内部，固定在规定的位置。
即，如果根据说明上述构成的图像显示装置，从投影透镜2射出的图像光倾斜地向背面投影型屏幕3投影。即，图像中心的光线(从图像调制元件的中心位置发出的光线)相对于投影型屏幕3的主平面的垂线，以规定的角度从下方投影。该倾倾斜投影的图像光在背面投影型屏幕3上产生上述梯形变形的同时，产生像差。为此，如果上述第一曲面镜4和上述第二曲面镜5来修正它们。
附图2表示了本发明的图像显示装置的背面投影型屏幕3的详细构造的一个例子。即，图2表示切取背面投影型屏幕3的一部分放大的立体图。如图所明白的那样，该背面投影型屏幕3具有用于确定该棱镜面的菲涅尔角的原始面为非球面形状的折射型的菲涅尔透镜，具有所谓的非球面菲涅尔透镜片8(下面仅称为“菲涅尔透镜片”)和双凸透镜片9。这里，如图所示那样，菲涅尔透镜在菲涅尔透镜片8的光射出面上以某个点为中心同心圆状地形成多个。另外，菲涅尔角指的是棱镜面和菲涅尔透镜片主平面所形成的角度。如果根据这样构成的背面投影型屏幕3，从图中的箭头a的方向投影的放大投影图像(未图示)的光，通过上述菲涅尔透镜片8的作用，即通过构成片的菲涅尔透镜的非球面棱镜的作用，变换为与背面投影型屏幕3的主平面的垂线大致平行的光。或者，上述放大投影图像的光变换为向着内侧一些、即变换为向着背面投影型屏幕3的中心的光。即，从菲涅尔透镜片8射出的光的射出角，即相对上述背面投影型屏幕3的垂线的角度，为大致0度。之后，从菲涅尔透镜片8射出的光向双凸透镜片9入射。而且，如图所示，双凸透镜片9形成为沿着屏幕画面水平方向排列多个将屏幕画面的垂直方向作为长度方向的双凸透镜的形状。为此，具有将从菲涅尔透镜片8射出的光向着屏幕画面水平方向扩散的作用。另外，在上述双凸透镜片9的射出面的与双凸透镜的边界相对的位置，形成沿着画面垂直方向延伸的黑条10。通过这样，吸收从屏幕射出侧入射的外部光。此外，该双凸透镜片9由掺入扩散材料11的透明树脂材料形成。为此，该混入的扩散材料11具有沿着屏幕画面水平和垂直方向扩散所述图像光的作用。
而且，虽然没有图示，也可以在双凸透镜片9的光射出侧配置平面状的前面片。或者，也可以使用粘合剂等将前面片和双凸透镜片9互相结合形成一体。此外，也可以不向双凸透镜片9中混入扩散材料11，而混入前面片中。还可以在前面片9的光射出面形成防止反射膜或者硬膜。另外，在图2中，在与双凸透镜片9的射出面的双凸透镜相对的位置，即双凸透镜的焦点部，形成第二双凸透镜，但在使用上述图像调制元件作为图像发生源1的情况下，也可以将上述焦点部形成平面状。优选在双凸透镜片9和前面片结合的情况下，使得两者的结合面不包含空气地结合。
接着，参照附图3的示意图来详细地说明在上述菲涅尔透镜片8上所形成的菲涅尔透镜上，设置同心圆状形成的多个棱镜面的面形状(所谓的菲涅尔透镜的原始面)的方法。而且，象上述那样，构成该菲涅尔透镜片8的菲涅尔透镜片的棱镜面形成为以某个点(旋转轴)为中心的同心圆状。而且，用于确定各个菲涅尔透镜的棱镜面的菲涅尔角、即该棱镜面和菲涅尔透镜片8的主平面所形成的角度的原始面，是非球面形状。这里，作为原始面，象上述那样，是用于确定各个棱镜面的菲涅尔角的面，指的是将菲涅尔透镜片8整体形成为一个透镜时的该透镜面。即，在设定菲涅尔透镜的棱镜面的菲涅尔角的情况下，首先，菲涅尔透镜片8整体假想为具有某一个透镜特性，将该透镜面形状设定为原始面。之后，将该原始面的与菲涅尔透镜片8各个点对应的形状(例如该各个点的原始面的切线)在菲涅尔透镜片8的面上展开。通过这样，设定该菲涅尔透镜片8各个点的棱镜面的菲涅尔角。因此，将菲涅尔透镜片整体的各个棱镜面对应该菲涅尔角连接的曲线，即菲涅尔透镜片整体的包含全部棱镜面的集合的包络线，表示上述原始面。因此，角菲涅尔透镜片各个点的棱镜面的光折射方向，根据与该各个棱镜对应的上述原始面的形状来确定。而且，上述旋转轴与菲涅尔透镜片8的主平面(图的xy面)正交(图的包含z轴的面)。另外，该旋转轴包括向菲涅尔透镜片8入射的光线13与左右相等地垂直分割菲涅尔透镜片8的面14(与yz面平行的面)相交的点15。即，旋转轴是与菲涅尔透镜片8的主平面垂直的轴，即图3的轴12。
但是，在上面的描述中，入射的光线13根据屏幕上的位置其入射角度(相对入射面的垂线的角度)变化，所以，在这里，根据上述求出的轴12也存在多个。而且，这些多个轴中处于该基本中央的轴为菲涅尔透镜的旋转轴(即构成菲涅尔透镜的同心圆状棱镜的中心位置)。
接着，如下求出上述各个棱镜面的菲涅尔角的形状(角度)。首先，一边利用菲涅尔透镜片8的棱镜面折射向着屏幕的入射光线，一边对于菲涅尔透镜片8的各个点利用斯涅耳折射定律(Snell’s law)求出为了沿着上述垂线方向射出的(射出角为0度)棱镜的角度。接着，连接该求出的棱镜面，形成上述菲涅尔透镜的原始面(非球面)。而且，该求出的原始面通过非球面公式来近似。此时，还进行近似的非球面系数和实际的光线射出角的比较，为了使射出角为大致0度，对旋转轴的位置或者非球面系数进行适当的、必要的修正和/或改变。
这样，通过上述求出的要素，即为构成菲涅尔透镜的同心圆状的棱镜部的旋转中心的旋转轴位置，和由该各个棱镜面的集合所形成的原始面的非球面系数，构成上述菲涅尔透镜片8。如这样构成菲涅尔透镜片8，在图像显示装置的投影光学系统中，能够通过设置在图像光的光路的途中的曲面反射镜(第一曲面反射镜4和第二曲面反射镜5)，将从屏幕的射出角设为大致0度来射出向屏幕入射的图像光。因此，如根据本实施方式的菲涅尔透镜片，能够在屏幕的整个面上将图像的亮度形成为大致均匀。
接着，表示了将上述说明的菲涅尔透镜片8应用到屏幕对角50英寸(纵∶横比＝9∶16)的图像显示装置的情况下的各个光学部件的数值的一个例子。而且，下面的表1利用(x、y、z、角度、距离)表示投影透镜2以后的光学部件配置。这里，投影透镜的角度表示透镜射出角度，另一方面，曲面反射镜、反射镜、屏幕的角度表示入射角度。
这里，将屏幕的中心位置设为坐标的原点((x，y，z)＝(0，0，0))，而且，在该坐标中，将屏幕的左右方向(水平方向)设为x轴，将右方向设为+(正)。另外，将屏幕的上下方向(垂直方向)设为y轴，将该上方设为+(正)。此外，将该纵深方向设为z轴，将向着图像显示装置的后面的方向设为-(负)。另外，角度是与xz截面的x轴所成的角度。而且，距离是从图像发生源1所包含的图像调制元件的中心点到屏幕的中心的光线的各个光学部件间的光路长度。而且，x，y，z和距离的单位是“mm”。
【表1】
 光学部件   x   y   z   角度(°)   距离
 投影透镜   0   -761.45   -282.32   0   150
 第一曲面反射镜4   0   -623.37   -340.93   45   239.1
 第二曲面反射镜5   0   -529.95   -120.84   45   312
 平面反射镜6   0   -240.75   -240.75   56   343.3
 屏幕3   0   0   0   45   0
下述的公式1是表示自由曲面的多项式，上述第一曲面反射镜3和上述第二曲面反射镜4的反射面形状根据该公式1求出。下述表2示出了表示本实施方式的第一曲面反射镜3的自由曲面形状的多项式的各个系数的一个例子，下述表4示出了表示第二曲面反射镜4的自由曲面形状的多项式的各个系数的一个例子。
【公式1】
W＝∑Cj·um·vn
表2
                         第一曲面反射镜的Cj
  u2   -3.2627956*10-4   v7   -4.2384259*10-16
  v2   -2.7342603*10-4   u8   -2.44870957*10-16
  u2v   4.219671*10-6   u6v2   5.59736313*10-16
  v3   -9.0741489*10-7   u4v4   -3.9135962*10-17
  u4   3.76895394*10-8   u2v6   -4.82512597*10-17
  u2v2   -6.49737092*10-8   v8   -6.7465302*10-19
  v4   2.20014707*10-3   u8v   1.882894699*10-17
  u4v   -2.9086400*10-10   u6v3   9.969359116*10-13
  u2v3   -3.4334099*10-11   u4v5   -2.42837400*10-18
  v5   -3.2694900*10-12   u2v7   -2.46749206*10-19
  u6   -2.18676160*10-12   v9   1.86624308*10-20
  u4v2   9.93709435*10-13   u10   -9.74821072*10-21
  u2v4   1.830653575*10-12   u8v2   -1.60666389*10-19
  v6   -7.83618202*10-14   u6v4   -1.82715283*10-20
  u6v   -7.07996207*10-14   u4v6   1.57793776*10-20
  u4v3   3.1929889*10-14   u2v8   2.10989801*10-21
  u2v2   5.88653028*10-17   v10   -2.91564903*10-23
表3
                          第二曲面反射镜的Cj
  u2   -7.0783312*10-4   v7   -6.15789986*10-15
  v2   1.40773686*10-4   u8   8.458346543*10-13
  u2v   -3.23558379*10-6   u6v2   -1.54520583*10-17
  v3   -3.658032027*10-7   u4v4   1.02166797*10-17
  u4   1.384747347*10-8   u2v6   -3.01595786*10-17
  u2v2   -1.248068173*10-8   v8   3.855409065*10-17
  v4   -4.698830800*10-9   u8v   -3.06405908*10-20
  u4v   5.448132025*10-11   u6v3   3.00052439*10-20
  u2v3   -5.46538633*10-11   u4v5   -9.83809597*10-20
  v5   3.707619336*10-11   u2v7   3.316504812*10-19
  u6   -4.17675900*10-13   v9   -8.37876233*10-20
  u4v2   3.874442611*10-13   u10   -1.05747627*10-22
  u2v4   -1.91573040*10-14   u8v2   7.491755095*10-23
  v6   4.21324044*10-14   u6v4   -2.16969819*10-23
  u6v   -3.52688320*10-16   u4v6   5.684876639*10-22
  u4v3   6.905122262*10-17   u2v8   -1.02473070*10-21
  u2v5   5.931535661*10-16   v10   7.886171405*10-23
这里，上述公式1的坐标系是将横方向设为u坐标，将纵方向设为v坐标，且将与面垂直且与z轴相同的方向设为w坐标的坐标系。另外，在上述公式1中，cj是使用下面的公式2所示的公式得到的um·vn的系数，j是2以上的整数。
【公式2】
j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1
这样，本实施方式的第一曲面反射镜3和第二曲面反射镜4的各个反射面形成为自由曲面形状。在本实施方式中，该自由曲面形状形成为：以y轴为中心左右对称，而以x轴为中心是不对称的。即，本实施方式的第一曲面反射镜3和第二曲面反射镜4的各个反射面形成为旋转非对称的自由曲面形状。而且，至少该任何一个使得朝向相对该反射方向凸出地弯曲，使得反射向透过型屏幕3的下端入射的光线的部分的曲率，比反射向所述屏幕的上端入射的光线的部分的曲率还大。另外，反射向上述任何一方屏幕的下端入射的光线的部分也可以形成为相对该反射方向凸出的形状，反射向所述屏幕的上端入射的光线的部分也可以形成为沿着该反射方向凹进的形状。
另外，下述的公式3是表示非球面的多项式，菲涅尔透镜片8的原始面的形状根据该公式3求出。在下述表4中示出了表示本实施方式的菲涅尔透镜片8的原始面的形状的多项式的各系数的一个例子。
【公式3】
z＝(c·r2)/[1+{1-(1+k)·c2·r2}1/2
+d4·r4+d6·r6+d8·r8+d10·r10
+d12·r12+d14·r14+…
表4
  c   -2.89878*102   d8   0.111331*10-19
  k   -1.0541549   d10   -0.148576*10-25
  d2   -0.386266*10-4   d12   0.100254*10-31
  d4   0.760589*10-9   d14   -0.2707*10-38
  d6   -0.431335*10-14
这里，在上述的公式3中，z表示与z轴平行的面的垂度(sag)量，r表示距离旋转轴的距离，c表示顶点曲率，k表示二次曲线常数，dn(n＝2、4、6、8、10、12…；2的倍数)表示n次非球面系数。
然后，本实施方式的菲涅尔透镜片8根据向着屏幕的图像光的入射角的分布，菲涅尔透镜的中心轴(参照图2的符号12)设定在从屏幕中心向下方仅离开545mm的位置。即，如根据本实施方式，上述菲涅尔透镜片8不将该中心轴保持在片的面上，而宁可使该菲涅尔透镜的中心轴位于离开上述菲涅尔透镜片8的面的位置。换言之，在本实施方式中，形成棱镜面的同心圆的中心点，处于显示所述图像显示装置的图像的区域的外侧。而且，构成菲涅尔透镜的各个棱镜沿着以位于该屏幕外侧的中心轴为中心的同心圆状的圆弧来形成。
这里，图6表示根据上述表4的非球面系数得到的菲涅尔透镜片8的原始面21和菲涅尔透镜的各个棱镜面22的关系。图6表示了与菲涅尔透镜片8的与该菲涅尔透镜片8的垂线平行、且包含上述旋转轴的截面。在图6中，r表示与上述公式3的r对应的、距离旋转轴的距离。距离r1的菲涅尔透镜的棱镜面22的菲涅尔角θ1(菲涅尔透镜片8的主平面和棱镜面所成的角度)基本上等于该距离r1的原始面21的斜度(切线)。即，在将由上述公式3所表示的原始面的非球面公式设为Z(＝f(rn))，n设为1以上的整数时，菲涅尔透镜片8的各个位置的菲涅尔角θn由公式4表示。
【公式4】
θn＝f(rn)′
因此，θ1＝f(r1)′、θ2＝f(r2)′、θ3＝f(r3)′…。这样，菲涅尔透镜片8的各个位置的菲涅尔角θn基本上与非球面公式的各个位置(各个距离rn)的微分值对应。这样，设定菲涅尔透镜片8的各个位置的菲涅尔角θn。象上述那样，向菲涅尔透镜片8入射的光线通过菲涅尔透镜的各个棱镜面22折射。象上述那样，如果将菲涅尔透镜片8的原始面21形成为对应于向着菲涅尔透镜片8的各个位置的入射光线的入射角的非球面形状，那么通过各个棱镜面22折射的各个光线变为与菲涅尔透镜片8的垂线基本平行。在本实施例中，位于菲涅尔透镜片上部(即距旋转轴最远的位置)的棱镜面22的菲涅尔角θ，比位于菲涅尔透镜片下部(即距旋转轴最近的位置)的棱镜面22的菲涅尔角θ要大。这是因为，在本实施方式的倾斜投影光学系统中，与屏幕下部相比，屏幕上部的光线的入射角大。另外，在本实施方式中，由于象上述那样，旋转轴位于菲涅尔透镜片8的外侧，所以各个棱镜面22向着相同方向倾斜。
在象以上这样构成的放大投影光学系统中实际观察的、相对距所述菲涅尔透镜的中心轴的距离(横轴)的、光线(透射光)的向着屏幕的入射角(纵轴)的分布状态，利用附图4的曲线表示。
另外，在附图5中，利用曲线表示相对距上述菲涅尔透镜中心轴的距离(横轴)的、从屏幕射出的光线(透射光)的射出角度(光线和屏幕垂线的角度)的分布状态。而且，在该图中，为了比较，在使用具有将原始面设为球面状的菲涅尔透镜的菲涅尔透镜片8的情况下，利用虚线来表示光线的射出角度。
即，从上述的图示曲线可明白的那样，在原始面是球面形状的菲涅尔透镜上，对应距菲涅尔透镜中心轴的距离(横轴)，产生最大约5度的入射角的差。为此，利用原始面是球面形状的菲涅尔透镜片，屏幕上的亮度是不均匀的。与此相对，如按照本实施方式的菲涅尔透镜片8，该原始面为非球面形状，所以不管距菲涅尔透镜中心轴的距离(横轴)，能够将该光线的射出角度抑制在大约0.8度以内。换言之，能够在屏幕的整个面上，使从屏幕射出的光线的射出角与屏幕的垂线大致平行，所以，能够遍及屏幕整体使得显示图像的亮度均匀。
另外，在采用上述构成的放大投影光学系统的屏幕对角50英寸(纵∶横比＝9∶16)的图像显示装置中，该装置的厚度是大约300mm。即，可理解，如根据本实施方式，能够使装置进一步薄型化。而且，上述实施例的投影透镜具有1300mm的投影距离，具有能够在对角50英寸(纵∶横比为9∶16)的屏幕上放大投影图像的功能。但是，本发明中，特别是，关于表示上述的构成元件的尺寸和其特性的数值，不限于上述实施例所示的内容，例如，如本领域技术人员当然知道，与倾斜投影角度或者投影距离等设计匹配，与上述曲面反射镜同时，能够通过合适的光学设计得到上述尺寸和特性。
另外，在上述实施例中，投影透镜的光轴处于yz平面内，而且，在该平面内配置为通过两个曲面反射镜和一个平面反射镜来反射图像光的光轴。但是，这些数量和位置也不限于上述实施例。
例如，也可以配置为：将投影透镜的光轴方向作为x轴方向，利用反射镜或者曲面反射镜沿着z轴方向弯曲光轴，在yz平面通过曲面反射镜和平面反射镜来反射光。而且，如果是这样的配置，能够将投影透镜和图像源紧凑地收纳在框体内的屏幕下侧。因此，可实现能够控制图像显示装置的高度的效果。
另外，本实施方式所使用的投影光学系统也可以至少具有一个用于修正梯形变形并修正像差的曲面，象本实施例那样，不限于使用两面的曲面反射镜。例如，其曲面也可以是一面以上的反射型自由曲面。另外，也可以是具有不是反射型的、至少一面以上的折射型的自由曲面，即自由曲面的旋转非对称透镜。此外，也可以组合反射型自由曲面(自由曲面反射镜)和折射型自由曲面(自由曲面透镜)两者，这是不言而喻的。这里，自由曲面透镜也可以弯曲使得向着该光的射出方向凹进，且入射到屏幕下端的光线通过的部分的曲率，形成为比入射到所述屏幕的上端的光线通过的部分的曲率还大的形状。
而且，在上述详细描述的实施例中，为了计算构成上述菲涅尔透镜片8的透镜的非球面，求出该棱镜面，说明了这种情况。但是，此时，例如具有根据倾斜投影距离或者投影距离等，其最佳化是困难的情况。下面，在这种情况下，说明能够求出最佳棱镜面的方法。
通常，图像显示装置的水平方向的视野角比垂直方向的视野角宽。为此，水平方向通过双凸透镜的作用，可使水平方向的扩散性好。与此相对，在垂直方向，主要通过双凸透镜的扩散材料(参照图2的符号9、11)来加宽视野角。这里，在求菲涅尔透镜的棱镜面的形状时，象下面这样。即，不是按照象前述那样使从屏幕射出的光线与屏幕的垂线平行而实现最佳化，相反地，将来自屏幕的射出光线分为水平和垂直成分，利用斯涅耳折射定律来计算用于将垂直成分的射出角度形成为大约0度的角度。通过这样，可求出各个屏幕位置的棱镜面。
利用连续这样求出的该棱镜面得到的原始面，也可以与上述同样的，能够利用基本0度的射出角度射出扩散性能低的垂直成分。为此，利用现有的扩散材料也能够充分地扩散。另一方面，关于水平成分，其扩散性能好，即使其射出角度大也能够通过双凸透镜充分扩散。结果，对于屏幕上得到的投影图像的亮度，能够得到均匀性。而且，这种情况下，构成上述菲涅尔透镜片8的菲涅尔透镜的棱镜面是曲面形状即可，不一定限于非球面形状。但是，象上述那样，如果是具有原始面为非球面形状的棱镜面的菲涅尔透镜片8，能够在整个屏幕上得到亮度更均匀的透射图像。棱镜面的每个，在通过上述旋转轴的菲涅尔透镜片8的截面可以形成为平面，也可以是曲面。该曲面也可以是非球面。
上述实施例中，原始面为非球面形状的菲涅尔透镜的棱镜面形成为以上述旋转轴为中心的同心圆状，该旋转轴处于所述图像显示装置的图像显示区域的外侧。但是，该旋转轴也可以处于图像显示装置的图像显示区域的内侧，不限于上述实施例。但是，形成该棱镜面的同心圆的中心点处于图像显示装置的图像显示区域，这使得容易进行为了以大致0度射出屏幕射出面的射出角而调整必要的折射的程度。该理由在下面说明，而且，在下面，将上述折射程度的调整称为“折射调整”。
首先，考虑上述旋转轴位于菲涅尔透镜片的内部的情况，包含该旋转轴的水平线的棱镜面，仅折射水平方向、即左右方向的光，不折射上下方向、即垂直方向的光。因此，包含上下方向的成分的光线入射在包含该旋转轴的水平线的情况下，在该水平线上的棱镜面，不能使得包含该上下方向成分的入射光为好的平行光(与屏幕主平面的垂线平行的光)。
在本实施方式中，象上述那样，使用了从屏幕下方倾斜投影图像的投影光学系统，此外，倾斜投影光学系统具有用于修正屏幕上的梯形变形和像差的曲面。在使用这样的光学系统的情况下，向平面入射光线的全部具有上下方向的成分的情况多。因此，优选，菲涅尔透镜片8没有不在上下方向折射光的棱镜面，使得菲涅尔透镜片8的各个位置进行水平方向和垂直方向两者的折射调整。
为此，在本实施方式中，构成为使得上述菲涅尔透镜的旋转轴位于菲涅尔透镜片8的外侧。如果这样，菲涅尔透镜片8的棱镜面能够具有在上下方向全部折射光的作用。因此，在菲涅尔透镜片8的各个位置容易进行左右方向和上下方向两者的折射调整。即，如果使旋转轴位于菲涅尔透镜片8的外侧，能够使得向屏幕入射的光线为好的平行光。
象以上说明的那样，本实施方式适用于为了缩短纵深而使用倾斜投影光学系统、且具有用于修正由于倾斜投影而产生的梯形形状的图像变形的曲面反射镜的构成的图像显示装置。而且，在这样的图像显示装置中，为了使得具有各种入射角的入射光从屏幕大致垂直地射出，在本实施方式中，在菲涅尔透镜片上形成的菲涅尔透镜的原始面为非球面形状。结果，能够遍及上述屏幕的大致整个面将从屏幕射出的光的射出角度形成为与屏幕垂线基本平行，所以能够得到均匀亮度的图像，而且，能够同时实现图像显示装置的薄型化。

Claims (16)

1、一种图像显示装置，其特征在于，包括：
图像发生源；
图像放大部，放大来自所述图像发生源的图像；
屏幕，放大图像从其背面投影；和
投影光学部，将来自所述图像放大部的所述图像发生源的放大图像相对所述屏幕倾斜投影，
所述屏幕至少包含形成菲涅尔透镜的菲涅尔透镜片，在通过该菲涅尔透镜的中心轴的截面上，所述菲涅尔透镜的各个棱镜面的菲涅尔角是，与所述菲涅尔透镜片下部相比，所述菲涅尔透镜片上部一方要大。
2、根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜形成为以相同点为中心的同心圆状，该中心点位于所述屏幕的外侧。
3、根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜的各个棱镜面的相对所述菲涅尔透镜片的垂线的倾斜方向相同。
4、一种图像显示装置，其特征在于，包括：
图像发生源；
图像放大部，放大来自所述图像发生源的图像；
屏幕，放大图像从其背面投影；和
投影光学部，将来自所述图像放大部的所述图像发生源的放大图像相对所述屏幕倾斜投影，
所述屏幕至少包含形成菲涅尔透镜的菲涅尔透镜片，由该菲涅尔透镜的各个棱镜面的集合所形成的菲涅尔透镜的原始面，形成为非球面形状。
5、根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于，
通过含有所述棱镜面的菲涅尔透镜，入射到所述菲涅尔透镜片的入射面的投影图像，遍及所述屏幕的大致整个面，以射出角大致为0度从该菲涅尔透镜片的射出面射出。
6、根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于，
所述投影光学部包含用于修正由于向所述屏幕的倾斜投影导致的变形和像差的曲面。
7、根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜的棱镜面形成为以同一点为中心的同心圆状，该中心点处于所述屏幕的图像显示区域的外侧。
8、根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于，
所述投影光学部包含至少一个折射型自由曲面和/或反射型自由曲面。
9、一种用于投影型图像显示装置的屏幕，其特征在于，包括：
形成菲涅尔透镜的菲涅尔透镜片，
相对该菲涅尔透镜的垂线从倾斜方向向着该菲涅尔透镜的入射面入射投影图像，
在通过该菲涅尔透镜的中心轴的截面上，所述菲涅尔透镜的各个棱镜面的菲涅尔角是，与所述菲涅尔透镜片下部相比，所述菲涅尔透镜片上部一方要大。
10、根据权利要求9所述的图像显示装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜形成为以同一点为中心的同心圆状，该中心点位于所述屏幕的外侧。
11、根据权利要求9所述的图像显示装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜的各个棱镜面的相对所述菲涅尔透镜片的垂线的倾斜方向相同。
12、一种用于投影型图像显示装置的屏幕，其特征在于，包括：
形成菲涅尔透镜的菲涅尔透镜片，
相对该菲涅尔透镜的垂线从倾斜方向向着该菲涅尔透镜的入射面入射投影图像，
由该菲涅尔透镜的各个棱镜面的集合所形成的菲涅尔透镜的原始面，形成为非球面形状。
13、根据权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，
所述菲涅尔透镜形成为以同一点为中心的同心圆状，该中心点位于所述屏幕的外侧。
14、根据权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，
通过含有所述棱镜面的菲涅尔透镜，向所述菲涅尔透镜片的入射面入射的投影图像，遍及所述屏幕的大致整个面，以射出角大致为0度从该菲涅尔透镜片的射出面射出。
15、根据权利要求12所述的图像显示装置，其特征在于，
在所述菲涅尔透镜片的光射出侧，配置形成双凸透镜的双凸透镜片。
16、根据权利要求15所述的图像显示装置，其特征在于，
所述双凸透镜片在其内部混入扩散材料，且在其射出面设置光吸收体。
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