CN1987638A - 图像显示装置,及其所使用的菲涅耳透镜片和屏幕 - Google Patents

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Abstract

本发明的投影型图像显示装置，将来自图像发生源(1)的图像，经过包含投影透镜(2)、曲面反射镜(4、5)及反射镜(6)的投影光学***，从屏幕(3)的背面进行投影。屏幕(3)包含在出射面形成有同心圆状的菲涅耳透镜的菲涅耳透镜片(8)，连接菲涅耳透镜的棱镜面时的形状为非球面形状。而且，在菲涅耳透镜片(8)的光入射面处、包含与菲涅耳中心相对的位置的规定区域，设置有具有与菲涅耳透镜片的下端大致平行的棱镜面的入射面棱镜(30)。

Description

图像显示装置，及其所使用的菲涅耳透镜片和屏幕
技术领域
本发明涉及一种使用将图像发生源的图像从倾斜方向投影到背面投影型屏幕的倾斜投影光学***的投影型的图像显示装置，以及在该图像显示装置中所使用的菲涅耳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相对应，已知的有使用反射镜，对放大图像从倾斜方向进行投影的结构，即所谓使用倾斜投影光学***的结构。此时，由于放大图像是对于屏幕倾斜投影(即屏幕主片面的垂线与放大图像中央的光的入射方向呈一定的角度。以下，在有些情况下，将这样的投影形式称为“倾斜投影”)，所以屏幕上投影的图像会产生失真。因此，例如在JP-A-2002-341452公报中，提出了为了修正该失真，在上述反射镜的一部分上，采用由弯曲面构成的曲面反射镜的图像显示装置的结构。
发明内容
一般地，在上述图像显示装置中，如果其画面尺寸相同，则其进深越薄，对重量、成本、设置空间等越有利。就是说，在上述历来的技术中，为了减小图像显示装置的进深，从倾斜方向对屏幕投影放大图像。其结果是，为了修正来自该倾斜的图像投影所产生的梯形的图像失真，采用了使用在光路中设置了上述曲面反射镜的投影光学***的结构。
然而，希望是能够不受观察位置的影响，在全体屏幕上都可以得到均匀、明亮的图像。为此，必须使来自投影透镜的放大图像光，在从该透镜出射时，对于上述观察一侧大致平行。为了实现这一点，一般是使用设置了具有原表面为球面的棱镜面的同心圆状菲涅耳透镜的菲涅耳透镜片作为上述屏幕的构成要素。这里，所谓原表面(OriginalSurface)，是指由相互连接菲涅耳透镜片全体中的各棱镜面的曲线，即由菲涅耳透镜片全体中的全部棱镜面的集合的包络线所形成的假定的面。通过使该原表面为球面，能够使得从投影透镜的出射孔放射状地投影到屏幕各点的图像光，由各棱镜而向着与屏幕垂线平行的方向折射，可使得在屏幕整个表面上，出射光形成平行(即与屏幕垂线平行的方向)。
但是，在上述以往的技术中会产生以下的问题。就是说，从投影透镜的出射孔射向屏幕的图像光被倾斜投影光学***中所包含的曲面反射镜反射时，射向屏幕的入射光的角度随该曲面反射镜的反射位置而变化。就是说，在使用上述倾斜投影光学***的情况下，从投影透镜的出射孔射向屏幕的图像光，不能够均匀地放射。
因此，在上述原表面为球面的菲涅耳透镜片中，对于屏幕的整个表面，难以使来自投影透镜的放大图像光大致平行地出射。所以，从菲涅耳透镜片的出射角度不均匀，在从观察者一侧看来时，就会产生投影到屏幕上的图像的亮度不均匀的问题。
而且，由于菲涅耳透镜是同心圆状，所以在包含通过菲涅耳透镜中心的水平线的区域内，光向垂直方向折射的作用就弱。另一方面，在将放大图像从倾斜方向投影到屏幕时，即使是对于包含通过菲涅耳透镜中心的水平线的区域，也有来自倾斜方向的光的射入。所以，在倾斜投影的情况下，从包含通过菲涅耳透镜中心的水平线的区域出射的光的出射角，难以成为大致0度。
本发明是鉴于上述问题而提出，其目的在于，提供一种适用于缩短装置的进深，同时使屏幕上投影的图像的亮度更为均匀的技术。
为了达到上述目的，本发明的特征在于，使该菲涅耳透镜的原表面设置为与对上述屏幕的光线的入射角相对应成为非球面形状，以使该菲涅耳透镜的棱镜角随着从菲涅耳透镜的中心向半径方向而增大。而且，本发明的特征还在于，在菲涅耳透镜片的光入射面的，包含与菲涅耳透镜的中心相对的位置的规定区域内，在垂直方向上排列有多个沿水平方向延伸形成的入射面棱镜。
由此，能够使入射到上述菲涅耳透镜片的入射面的投影图像，在上述屏幕的大致整个表面上，可从该菲涅耳透镜片的出射面，以大致0度的出射角进行出射。而且，由上述入射面棱镜，能够使入射到包含上述菲涅耳透镜中心的规定区域的入射光预先向屏幕面的垂线方向折射。所以，使得从菲涅耳透镜片的该规定区域出射的光的出射角大致为0度(与屏幕面的垂线大致平行)。
在上述屏幕的垂直方向的尺寸为T时，排列有上述入射面棱镜的上述规定垂直范围的大小可以是T/15～T/4。另外，在屏幕中央部的入射面棱镜的棱镜高度，可以设置比该中心以外的棱镜高度低，也可以在该中央部设置入射面棱镜。
根据上述结果，即使是在使用具有用于修正由倾斜投影所产生的梯形图像失真的曲面的光学***的情况下，也能够与来自该曲面的反射所引起的、向着屏幕的入射光线的入射角的变化相对应。就是说，即使是产生这样的入射角的变化，也能够由具有与此相对应的菲涅耳角的菲涅耳透镜，使入射光线向着与屏幕垂线大致平行的方向(与屏幕的主平面垂直的方向)折射并出射。所以，根据本发明的结构，能够在屏幕全体上使出射光的出射方向与屏幕垂线大致平行而聚齐，能够实现图像显示装置的进深尺寸的降低，同时能够得到均匀、明亮的投影图像。
附图说明
图1是表示本实施方式中投影型图像显示装置的结构一例的截面图。
图2是表示本实施方式中投影型图像显示装置中采用的背面投影型屏幕的一例的图。
图3是说明设定菲涅耳透镜原表面的方法的图。
图4是表示本实施方式下水道屏幕中入射光线的入射角度的分布图。
图5是表示本实施方式下水道屏幕中出射光线的出射角度的分布图。
图6是表示菲涅耳中心位于菲涅耳透镜片下端的情况的一例的图。
图7是表示入射到图6的左下部B部的光线α的方向的图。
图8是从出射侧看到的本发明的一个实施例的菲涅耳透镜片的图。
图9是从入射侧看到的本发明的一个实施例的菲涅耳透镜片的图。
图10是本发明的一个实施方式中菲涅耳透镜片下端部C的yz截面的模型图。
图11是表示本实施方式中菲涅耳透镜片的棱镜面与原表面之间关系的图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式进行详细说明。
首先，附图1是表示本实施方式中图像显示装置的结构一例的截面立体图。在图中，图像发生源1可以是包含投影型阴极射线管的发生源。另外，也可以是反射型/透过型的液晶面板，或者是包含设置有多个微小反射镜的显示元件等图像调制元件的发生源。在使用这样的图像调制元件的情况下，图像发生源还包含用于将光照射到该图像调制元件的水银灯等光源，图像调制元件对应于输入图像信号而对每个像素调制来自该光源的光，由此形成图像。这样，在图像发生源1的显示画面上就显示小型的图像。由图1可知，用于将该小型图像放大投影于背面投影型屏幕3的投影光学***包含，用于将上述图像放大投影于背面投影型屏幕3的图像放大部·投影的作为图像放大部的透镜2，反射从该投影透镜出射的图像光的第一曲面反射镜4，将由该第一曲面反射镜4反射的光进行反射的第二曲面反射镜5，以及为了降低图像显示装置的进深而将由第二曲面反射镜5反射的光进行反射的、例如平面状的反射镜6。投影透镜2、第一曲面反射镜4、第二曲面反射镜5及平面状的反射镜6，设置在从图像发生源1到背面投影型屏幕3的光路的中途。还有，这些元件都容纳于图像显示装置的壳体7的内部，固定于规定的位置。
就是说，根据上述说明的结构的图像显示装置，从投影透镜2出射的图像光，倾斜地投影于背面投影型屏幕3。即，图像中心的光线(从图像调制元件的中心位置所发出的光线)，对于背面投影型屏幕3的主平面的垂线，以规定的角度从下方进行投影。该倾斜投影的图像光，在背面投影型屏幕3上与上述梯形失真一起，发生像差。因此，由上述第一曲面反射镜4与第二曲面反射镜5对该像差进行修正。
图2是表示本实施方式中投影型图像显示装置中背面投影型屏幕3的详细结构的一例。就是说，图2是表示切取了背面投影型屏幕3的一部分并进行了放大的立体图。如图可知，该背面投影型屏幕3设置有：具有用于确定其棱镜面的菲涅耳角的原表面成为非球面形状的折射型菲涅耳透镜的，所谓非球面菲涅耳透镜片8(以下简称“菲涅耳透镜片”)，和作为扩散片的双凸出透镜片9。这里，如图所示，在菲涅耳透镜片8的光出射面上，以某点为中心呈同心圆状地形成有多个菲涅耳透镜。
而且，菲涅耳角是指棱镜面与菲涅耳透镜片的主平面所成的角。根据该结构的背面投影型屏幕3，由于上述菲涅耳透镜片8的作用，即构成透镜片的菲涅耳透镜的非球面棱镜的作用，使从图中箭头a的方向投影的放大投影图像(未图示)的光，能够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。或者是，使上述放大投影图像的光，变换为少许向内侧，即向着背面投影型屏幕3的中心的光。就是说，从菲涅耳透镜片8出射的光的出射角，即对于上述背面投影型屏幕3的垂线的角度，大致为0度。其后，从菲涅耳透镜片8出射的光，入射到双凸透镜片9。而且，如图所示，双凸透镜片9，在屏幕画面的水平方向上，以屏幕画面的垂直方向为长度方向排列有多个双凸透镜。因此，就具有将从菲涅耳透镜片8出射的光向屏幕画面水平方向扩散的作用。而且，在上述双凸透镜片9的出射面的、与双凸透镜的边界相对的位置上，形成有在画面的垂直方向上延伸的黑条(black stripe)10。由此，吸收从屏幕出射侧入射的外光。进而，对该双凸透镜片9，由混合有扩散材料11的透明树脂而形成。因此，该混入的扩散材料11具有能够使上述图像光向屏幕画面的水平及垂直方向上扩散的作用。
在本实施例中，作为起到向屏幕画面的水平及垂直方向上扩散作用的光学部件，以混入扩散材料11的双凸透镜片9为例进行的说明。但是，也可以使用具有，反射来自菲涅耳透镜片8的光，并向水平方向扩散的全反射面的扩散片。进而，也可以是稠密配置有微小颗粒(beads)的颗粒型的扩散片。另外，当然也可以是以其它形式扩散光的元件。
还有，虽然在图中未表示，但也可以在双凸透镜片9的光出射一侧配置平面状的前面板。而且，也可以使用粘合剂等将该前面板与双凸透镜片9粘合而一体化。进而，也可以是扩散材料11不混入双凸透镜片9，而是混入前面板。而且，还可以对上述前面片9的光出射设置防反射膜及硬涂层。另外，在图2中，在与双凸透镜片9的出射面的与双凸透镜的相对的位置，即双凸透镜的焦点部，形成第二双凸透镜，但在作为图像发生源1而使用上述图像调制元件的情况下，也可以使上述焦点部为平面状。在双凸透镜片9与前面板结合的情况下，优选在两者的结合面中不含有空气而进行结合。
下面，参照图3的模型图，对上述菲涅耳透镜片8中形成菲涅耳透镜中，设定形成有同心圆状的多个棱镜面的面形状(即所谓菲涅耳透镜的原表面)的方法加以详细说明。还有，如上所述，构成该菲涅耳透镜片8的菲涅耳透镜的棱镜面，是形成以某一点(旋转轴)为中心的同心圆状。而且，决定各菲涅耳透镜的棱镜面的菲涅耳角，即决定该棱镜面与菲涅耳透镜片8的主平面所成的角度的原表面为非球面形状。这里所谓原表面，如上所述，是指为了决定各棱镜面的菲涅耳角的面，将菲涅耳透镜片8全体作为一个透镜时的该透镜面。就是说，在设定菲涅耳透镜的棱镜面的菲涅耳角的情况下，首先假定菲涅耳透镜片8的全体具有一个透镜的特性，将其透镜的面形状设定为原表面。而且，将其原表面的与菲涅耳透镜片8的各点相对应的形状(例如各点对于原表面的切线)在菲涅耳透镜片8的面上展开。由此，设定该菲涅耳透镜片8各点上棱镜面的菲涅耳角。所以，将菲涅耳透镜片全体中各透镜面，与其菲涅耳角相对应而相互连接的曲线，即包含全体菲涅耳透镜片的全部棱镜面的集合的包络线，表示上述原表面。所以，角菲涅耳透镜片各点的棱镜面中的光折射方向，是由与其各棱镜相对应的上述原表面的形状所决定。还有，上述旋转轴，与菲涅耳透镜片8的主平面(图中xy面)相垂直(包含图中z轴的面)。而且，该旋转轴包含入射到菲涅耳透镜片8的光线13，和将菲涅耳透镜片8左右相等地垂直分割的面14(与yz面相平行的面)的交点15。就是说，旋转轴是与菲涅耳透镜片8的主平面相垂直的轴，即图3的轴12。
但是，在上述中，由于入射光线13的入射角度(对于入射面的垂线的角度)随屏幕上的位置而变化，所以，这里由上述所求得的轴12也存在有多个。而且，在这些多个轴中，以其大致中央的轴作为菲涅耳透镜的旋转轴(即构成菲涅耳透镜的同心圆状的棱镜的中心位置)。
接着，按照下述方法求得上述各棱镜面的菲涅耳角的形状(角度)。首先，由菲涅耳透镜片8的棱镜面使向着屏幕的入射光线进行折射，同时对于菲涅耳透镜片8各点，分别利用斯涅尔定律(snells law)而求出用于向上述垂线方向出射的(出射角为0度)棱镜的角度。接着，连接该求出的棱镜面，形成上述菲涅耳透镜的原表面(非球面)。还有，该求出的原表面，可以由非球面式所近似。此时，进而进行近似的非球面系数与实际的光的出射角的比较，对旋转轴的位置及非球面系数进行适宜、必要的修正及/或变更，以使出射角大致为0度。
这样，由上述求得的要素，即成为构成菲涅耳透镜的同心圆状的棱镜部的旋转中心的旋转轴的位置，及由各棱镜面的集合所形成的原表面的非球面系数，构成上述菲涅耳透镜片8。根据这样结构的菲涅耳透镜片8，通过在图像显示装置的投影光学***中图像光路中设置的曲面反射镜(第一曲面反射镜4与第二曲面反射镜5)，能够使入射到屏幕的图像光，以0度从屏幕的出射角而出射。这样，根据本实施方式的菲涅耳透镜，能够在屏幕的整个表面上，得到大致均匀的图像的亮度。
接着，表示将上述说明的菲涅耳透镜片8应用于屏幕对角线50英寸(高∶宽＝9∶16)的图像显示装置的情况下，各光学部件的数值的一例。而且，以下的表1是表示投影透镜2以后的由(x、y、z、角度、距离)所表示的光学部件的配置。这里，投影透镜的角度表示透镜出射角度，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，以屏幕的中心位置作为坐标的原点((x、y、z＝(0、0、0))。而且，在该坐标中，以屏幕的左右方向(水平方向)为x轴，以右方向为+(正)。而且，以屏幕的上下方向(垂直方向)为y轴，以上方向为+(正)。进而，以其进深方向为z轴，以向着图像显示装置的后方向为-(负)。另外，角度是xz截面与x轴所成的角度。而且，距离是从图像发生源1包含的图像调制元件的中心点到屏幕中心的光线的、各光学部件之间的光路的长度。而且，x、y、z及距离的单位是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
平面状的反射镜6     0 -240.75 -240.75 56   343.3
屏幕3     0 0 0 45   0
下面的式(1)是表示自由曲面的多项式，上述第一曲面反射镜4、第二曲面反射镜5，是由该式(1)所求出。表示本实施方式中第一曲面反射镜4的自由曲面形状的多项式的各系数的一例记述于下面的表2，表示第二曲面反射镜5的自由曲面形状的多项式的各系数的一例记述于下面的表3。
w＝∑cj·um·vn    (1)
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*10-5     u2v6 -4.82512597*10-17
    u2v2   -6.49737092*10-3     v8 -6.7466302*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     u6v2 -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
    u2v5   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*10-16
    v2 1.40773688*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 6.448132025*10-11     u6v8 3.00052439*10-20
    u2v3 -6.46538633*10-11     u4v6 -9.83809597*10-20
    v6 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*10-23
    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*10-23
    u4v3 6.905122262*10-17     u2v8 -1.02473070*10-21
    u2v5 5.931535661*10-16     v10 7.886171405*10-23
这里，上述式(1)的坐标，横方向为u坐标，纵方向为v坐标，而且，与面垂直，且与z轴相同的方向为w方向。而且，在上述式(1)中，cj是使用以下的式(2)所得到的um·vn的系数，j是2以上的整数。
j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1    (2)
这样，本实施方式的第一曲面反射镜4、第二曲面反射镜5的各反射面，形成自由曲面的形状。在本实施方式中，该自由曲面的形状，以y轴为中心左右对称，以x轴为中心非对称。就是说，本实施方式的第一曲面反射镜4、第二曲面反射镜5的各反射面，是旋转非对称的自由曲面形状。而且，至少任意一方弯曲，以使对其反射方向的凸向上，对入射到透过型屏幕3下端的入射光线进行反射的部分的曲率，比对入射到上述屏幕上端的入射光线进行反射的部分的曲率大。而且，也可以是对入射到上述任何一方屏幕下端的光线进行反射的部分，对于其反射方向成为凸状，而对入射到上述屏幕上端的光线进行反射的部分对于其反射方向成为凹状。
而且，下面的式(3)表示非球面的多项式，菲涅耳透镜片8的原表面的形状根据式(3)而求出。表示本实施方式中菲涅耳透镜片8的原表面的形状的多项式的各系数的一例记述于下面的表4。
z＝(c·r2)/[1+{1-(1+k)·c2·r2}1/2
+d4·r4+d6·r6+d8·r8+d10·r10
+d12·r12+d14·r14+····    (3)
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*10-8     d14     -0.2707*10-38
    d6     -0.431335*10-14
这里，在上述式(3)中，z是与z轴平行的面的下垂量，r是自旋转轴的距离，c是顶点曲率，k是二次曲线常数，dn(n＝2、4、6、8、10、12……；2的倍数)是表示n次非球面系数。
而且，本实施方式中的菲涅耳透镜片8，从射向屏幕的图像光的分布，菲涅耳透镜的中心轴(参照图2的符号12)，设定在自屏幕的中心向下方仅离开545mm的位置。就是说，根据本实施方式，上述菲涅耳透镜片8，在透镜片面上并不具有该中心轴，该菲涅耳透镜的中心轴位于从上述菲涅耳透镜片8离开的位置上。换言之，在本实施方式中，形成棱镜面的同心圆的中心点，是上述图像显示装置的显示图像的区域的外侧。而且，构成菲涅耳透镜的各棱镜，是沿着以位于该屏幕外侧的中心轴为中心的同心圆的圆弧而形成。
这里，由上述表4的非球面系数所得到的菲涅耳透镜片8的原表面21与菲涅耳透镜的各棱镜面22的关系如图11所示。图11是表示菲涅耳透镜片8的、与该菲涅耳透镜片8的垂线相平行，且包含上述旋转轴的截面。在图6中，r是与上述式(3)的r相对应，表示离开旋转轴的距离。距离r1的棱镜面22的菲涅耳角θ1(菲涅耳透镜片8的主平面与棱镜面所成的角度)，与该距离r1的原表面21的斜率(切线)大致相等。就是说，设由上述式(3)所表示的原表面的非球面内式为Z(＝f(rn))，n为1以上的整数，则菲涅耳透镜片8的各位置的菲涅耳角θn可以由式(4)表示。
θn＝f(rn)′    (4)
由此，θ1＝f(r1)′、θ2＝f(r2)′、θ3＝f(r3)′……。这样，菲涅耳透镜片8的各位置的菲涅耳角θn，就与非球面式的各位置(各距离rn)中的微分值大致对应。这样，设定菲涅耳透镜片8的各位置的菲涅耳角θn。如上所述，入射到菲涅耳透镜片8的光线，由菲涅耳透镜的各棱镜面22所折射。如上所述，如果将菲涅耳透镜片8的原表面21设置为与向菲涅耳透镜片8的各位置的入射光线的入射角相对应的非球面形状，则由各棱镜面22所折射的各光线，就与菲涅耳透镜片8的垂线大致平行。
这样，本实施例的菲涅耳透镜的棱镜角，随着从菲涅耳透镜的中心向半径方向而阶段性地、或缓慢增大。而且，在本实施例中，位于菲涅耳透镜片上部(即距离旋转轴的最远的位置)的棱镜面22的菲涅耳角θ，比位于菲涅耳透镜片下部(即距离旋转轴的最近的位置)的棱镜面22的菲涅耳角θ大。这是由于在本实施方式的倾斜投影光学***中，屏幕上部的光线入射角比屏幕下部的光线入射角大。而且，在本实施方式中，如上所述，由于旋转轴位于菲涅耳透镜片8的外侧，所以各棱镜面22都向相同的方向倾斜。
而且，在上述实施例中，投影透镜的光轴位于yz平面内，且配置为，由该平面内的2个曲面反射镜与一个平面反射镜反射图像光的光轴。但是，这些位置及数量等，并不限于上述实施例。
例如，也可以配置为，以投影透镜的光轴方向作为x轴方向，由反射镜或曲面反射镜将光轴向z轴方向折射，由yz平面内的曲面反射镜与平面反射镜而反射光。还有，根据这样的配置，能够将投影透镜与图像源容纳在壳体内屏幕下侧的小盒内。这样，就能够起到抑制图像显示装置的高度的作用。
而且，本实施方式中使用的投影光学***，至少设置有一个用于修正梯形失真及象差的曲面，并不限于本实施例中的那样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。而且，也可以不是反射型，而是至少一面以上的折射型自由曲面，即，可以是具有自由曲面的非旋转对称的透镜。进而，当然还可以是反射型自由曲面(自由曲面反射镜)与折射型自由曲面(自由曲面透镜)的双方进行组合。这里，自由曲面透镜可以是，向其光的出射方向凹进而弯曲，且入射到屏幕下端的光线所通过的部分的曲率，比入射到屏幕上端的光线所通过的部分的曲率大的形状。
而且，在以上详细叙述的实施例中，为了计算构成上述菲涅耳透镜片8的透镜的非球面，对球形棱镜面进行了说明。但是，此时，例如存在有根据倾斜投影距离及投影距离等，难以达到最优化的情况。以下，针对该情况，对能够求出棱镜面的合适的方法加以说明。
一般地，图像显示装置的水平方向的视野角比垂直方向要宽。因此，水平方向上通过双凸透镜的动作，能够使水平方向上扩散良好。与此相比，在垂直方向上，主要是由双凸透镜的扩散材料(参照图2的符号9、11)来扩大视野，因此，在求菲涅耳透镜的棱镜面的形状时，如下所述。就是说，不是要求如上所述，使从屏幕出射的光线与屏幕的垂线相平行的最优化，取而代之的是，将从屏幕出射的光线分为水平成分与垂直成分，由斯涅尔定律计算用于使垂直成分的出射角大约为0度的出射角。由此，可以求得各屏幕位置的棱镜面。
根据连接这样所求得的棱镜面所得到的原表面，与上述同样，也能够以大致0度的出射角而出射扩散性能低的垂直成分。因此，即使是根据以往的扩散材料，也能够充分地扩散。另一方面，对于水平成分，由于其扩散性能良好，所以即使是出射角大，也能够由菲涅耳透镜而充分地扩散。其结果是，在屏幕上所得到的投影图像的亮度能够均匀。还有，在这种情况下，构成上述菲涅耳透镜片8的菲涅耳透镜的棱镜面可以是曲面形状，但又并非一定限于曲面形状。但是，如上所述，根据具有原表面为非球面形状的棱镜面的菲涅耳透镜片8，在全体屏幕上，能够得到亮度更为均匀的投影图像。还有，各自的棱镜面也可以是在通过上述旋转轴的菲涅耳透镜片8的截面中成为平面，也可以是曲面。该曲面也可以是非球面。
上述实施例是，原表面为非球面形状的菲涅耳透镜的棱镜面以上述旋转轴为中心而形成同心圆状，该旋转轴位于上述图像显示装置的图像显示区域外侧。但是，并不限于上述实施例，该旋转轴也可以位于图像显示装置的图像显示区域内侧。只是，如果形成该棱镜面的同心圆的中心点作为图像显示装置的图像显示区域，在调整为了使屏幕出射面的出射角大致为0度而出射所必要的折射程度时，比较容易。其理由在下面说明。还有，在以下的说明中，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耳透镜片的内部的情况。包含该旋转轴的水平线上的棱镜面，仅在水平方向、即左右方向折射，在上下方向、即垂直方向上不折射。所以，在包含该旋转轴的水平线上入射包含上下成分的光线的情况下，在该水平线上的棱镜面上，包含该上下成分的入射光就不能成为良好的平行光(与屏幕主平面垂直的平行光)。
在本实施方式中，如上所述，使用从屏幕的下方倾斜地投影图像的投影光学***，而且，倾斜投影的光学***，设置有用于对屏幕上的梯形失真与象差进行修正的曲面。在使用这样的光学***的情况中，大多是入射到屏幕的全部光线都是具有上下方向的成分的情况。所以，优选菲涅耳透镜片8不具有在上下方向不使光折射的棱镜面，在菲涅耳透镜片8的各位置上进行水平方向及垂直方向的双方的折射调整。
因此，在本实施方式中，是上述菲涅耳透镜的旋转轴位于菲涅耳透镜片8的外侧的结构。这样做，能够使菲涅耳透镜片8的棱镜面全部在上下方向上具有对光的折射作用。由此，使菲涅耳透镜片8的各位置中的左右方向及上下方向的双方的折射调整变得容易。就是说，如果旋转轴位于菲涅耳透镜片8的外侧，则入射到屏幕的光线能够成为良好的平行光。
由图3可知，在上述实施方式中，菲涅耳中心在菲涅耳透镜片8的外侧。但是，在使用包含曲面反射镜的倾斜投影光学计的投影型图像显示装置中，也存在有菲涅耳中心在菲涅耳透镜片8的内侧的情况。在这种情况下，会发生下述的问题。
图6是表示菲涅耳中心在菲涅耳透镜片下端的情况下的菲涅耳透镜片8的模型图。此时，包含菲涅耳中心附近的水平区域(范围)的棱镜面，可以看作与画面垂直方向大致平行的棱镜面。入射到图6的画面左下部的光线α如图7所示。此时，光线α能够分解为x轴上的光线成分β、y轴上的光线成分γ、以及z轴上的光线成分δ。δ的方向是向菲涅耳透镜片垂直出射的光线方向，在菲涅耳透镜片的棱镜面上，必须将x轴上的光线成分β与y轴上的光线成分γ变换为δ方向。然而，由于菲涅耳透镜片8的棱镜面不具有对于y方向的角度，所以不能折射冰不能射向δ方向。所以，入射到菲涅耳透镜片8的左下部B部的光线α，不是向画面垂直方向，而是向画面上方出射。
以下所述的实施例，是与上述菲涅耳中心在菲涅耳透镜片8的内侧的情况下所发生的新问题相对应的例子。就是说，本实施例的特征在于，在菲涅耳透镜片8的光入射面的、包含与菲涅耳中心相对的位置的规定区域，设置有入射面棱镜30。以下，将形成了该入射面棱镜30的区域称为“棱镜区域”。上述入射面棱镜30，是在画面的水平方向上延伸而形成的直线状，在上述棱镜区域的画面垂直方向上排列有多个。以下，参照图8、图9、图10(a)、(b)所示的模型图对本实施例进行说明。
图8、图9是表示菲涅耳中心在菲涅耳透镜片8的下端的情况下菲涅耳透镜片20的模型图。图8是从出射侧看到的，图9是从入射侧看到的菲涅耳透镜片8的图。在这些图中，使光线从b方向入射到菲涅耳透镜片8。菲涅耳透镜片8的入射面，除了包含菲涅耳中心附近的棱镜区域之外大致为平面状，在出射面上设置有用于使光线对于透镜片大致垂直出射的同心圆状的菲涅耳透镜21。而且，在入射面的包含菲涅耳中心附近的棱镜区域，在画面垂直方向上排列有多个具有与菲涅耳透镜片下端的边平行的棱镜面的入射面棱镜30。以下参照图10(a)、(b)对该入射面棱镜30的光学作用进行说明。
图10(a)、(b)是本实施方式中菲涅耳透镜片下端部C的yz截面的模型图。(a)表示图8、图9所示的菲涅耳透镜片8的下端部C的截面，(b)表示未形成入射面棱镜的菲涅耳透镜片8的下端部的截面。如图10(a)所示，通过设置入射面棱镜30，yz平面内的光线向下方折射，与屏幕的垂线大致平行。由此，能够使从菲涅耳透镜片8出射的光的垂直方向上的成分大致为0。这里入射棱镜的角度、即垂直方向上的角度的修正量，是分别求出入射到包含菲涅耳中心附近的水平区域的光线的垂直成分的角度修正量，由其平均所决定即可。与此相比，如图10(b)所示，在没有入射面棱镜30的情况下，由于入射板是平板，所以不能对入射光的垂直成分进行修正，出射光线向上。
如上所述，在本实施例中，入射面棱镜30不是在菲涅耳透镜片8的入射面的全表面形成，而是仅在棱镜区域形成。这里，如图9所示，棱镜区域在屏幕的垂直方向上有规定的宽度W。在屏幕垂直方向上的尺寸为T时，该宽度W满足T/15≤W≤T/4的关系。例如，如果屏幕的尺寸为50英寸，其垂直方向上的尺寸约为600mm时，宽度W设定为约40～150mm。就是说，该区域是向菲涅耳透镜的垂直方向的折射力较弱的区域，通过在该区域内设置入射面棱镜，能够取代菲涅耳透镜(特别是菲涅耳中心的菲涅耳透镜)，使光向垂直方向折射。所以，即使是在向垂直方向的折射力弱的区域，其出射光的出射角也能够成为大致0度。
在本实施例中，是对贯通屏幕水平方向上全体而形成入射面棱镜30的情况进行的说明。但是，入射面棱镜30并无必要在棱镜区域内贯通屏幕水平方向上全体而形成。即使是在上述棱镜区域，菲涅耳中心附近的菲涅耳透镜具有向垂直方向的折射力，从菲涅耳中心向透镜方向离开的越远，菲涅耳透镜的向垂直方向的折射力越弱。所以，即使在上述棱镜区域内，也是在菲涅耳中心附近的中心部，入射面棱镜30的高度或其棱镜角比其它区域的相应的值小即可。而且，在上述棱镜区域内，也是对于菲涅耳中心附近的中心部设置入射面棱镜30即可。
而且，由于入射面棱镜30与菲涅耳透镜为相互垂直的关系，所以没有必要考虑关于二者的波纹。所以，入射面棱镜30的倾斜，由图像发生源的像素倾斜而决定即可。
在上述实施例中，是对菲涅耳中心在菲涅耳透镜片下端部的情况进行的说明，但并不限于此。例如，如果菲涅耳透镜片20的菲涅耳中心在透镜片面内，则通过在包含菲涅耳中心附近的规定区域设置上述入射面棱镜，能够取得同样的效果。而且，在上述实施例中，是对入射到菲涅耳中心附近的光线具有向上角度的成分的情况进行的说明，但对于具有向下角度的成分的情况也是同样。但是，这种情况下入射面棱镜30的棱镜面的斜率，当然是与图8～图10所说明的情况相反的方向。
在具有以上结构的放大投影光学***中实际观察到的、光线(透射光)向屏幕的入射角(纵轴)，对于自上述菲涅耳透镜的中心轴的距离(横轴)的分布状态，如图4所示的曲线图。从图4可知，菲涅耳中心的入射角不是0度，而是具有Δθ的角度。
而且，在图5中，表示了从屏幕出射的光线(透射光)的出射角(光线与屏幕垂线的角度)，对于自上述菲涅耳透镜的中心轴的距离(横轴)的分布状态。而且，在该图中，为了进行比较，在使用具有原表面为球面状的菲涅耳透镜的菲涅耳透镜片8的情况下光线的出射角度，用虚线表示。
就是说，由上述图示的曲线图可知，在原表面为球面形状的菲涅耳透镜中，对应于从菲涅耳透镜中心轴的距离(横轴)，最大产生约5度入射角的差。而且，在菲涅耳透镜中心轴附近，由于不能进行yz方向的修正，所以产生约1.5度的差。由此，使屏幕上的亮度不均匀。与此相比，可知，采用本实施方式的菲涅耳透镜片8时，由于其原表面为非球面形状，且由入射面棱镜30能够对入射光的垂直方向的成分进行修正，所以与自菲涅耳透镜中心轴的距离(横轴)无关，都能够将其光线的出射角抑制在约0.8度以内。换言之，能够使全体屏幕上的亮度均匀。因此，在原表面为球面形状的菲涅耳透镜片中，屏幕上的亮度是不均匀的。
另外，在采用了上述结构的放大投影光学***的、屏幕对角线为50英寸(高∶宽＝9∶16)的图像显示装置中，该装置的厚度约为300mm。就是说，根据本实施方式，能够使装置进一步薄型化。还有，上述实施例中的投影透镜，是具有1300mm的投影距离，具有能够在对角线为50英寸(高∶宽＝9∶16)的屏幕上放大投影图像的功能的透镜。但是，本发明特别是对于表示上述结构要素的尺寸及其特性的数值，并非是限于上述实施例中所表示的数值。例如，倾斜投影角度及投影距离等样式的综合，通过与上述反射镜一起进行适当的光学设计，能够得到上述尺寸与特性，这一点对于业内人士来说应该容易理解。
根据以上的说明，本实施方式能够适用于使用缩短进深的图像投影光***，且具有用来对由倾斜投影所产生的梯形失真进行修正的曲面反射镜的结构的图像显示装置。在这样的图像显示装置中，为了使具有各种入射角的入射光从屏幕大致垂直地出射，在本实施方式中，使菲涅耳透镜片中形成的菲涅耳透镜的原表面为非球面形状。而且，在包含菲涅耳中心附近的规定区域内设置入射面棱镜。其结果是，从屏幕出射的光的出射角度，能够在屏幕的大致整个表面上与屏幕的垂线基本平行，所以能够得到亮度均匀的高质量的图像。而且，还能够缩短装置的进深，达到图像显示装置的薄型化。

Claims (16)

1.一种投影型图像显示装置，其特征在于：具有，
发生图像的图像发生源，屏幕，将所述图像发生源的图像放大、并相对于所述屏幕的垂线以规定角度从倾斜方向进行投影的投影光学部；
所述屏幕至少包含菲涅耳透镜片，在该菲涅耳透镜片的光出射侧呈同心圆状地设置有多个菲涅耳透镜；
该菲涅耳透镜的棱镜角，随着从所述同心圆状的菲涅耳透镜的中心向半径方向而增大；
在所述菲涅耳透镜片的光入射面的、包含与所述菲涅耳透镜的中心相对的位置的规定区域内，在垂直方向上排列有多个在水平方向上延伸形成的入射面棱镜。
2.如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：使所述多个菲涅耳透镜的棱镜面连续地相互连接时所形成的原表面的形状，成为非球面形状。
3.如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：当所述屏幕的垂直方向的尺寸为T时，排列有所述入射面棱镜的所述规定垂直范围的大小为T/15～T/4。
4.如权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：所述屏幕，除了所述菲涅耳透镜片以外，还包含配置在该菲涅耳透镜片的光出射侧的、用于使从该菲涅耳透镜片出射的光至少在水平方向上进行光扩散的扩散片。
5.一种投影型图像显示装置，其特征在于：具有，
发生图像的图像发生源，屏幕，将所述图像发生源的图像放大、并相对于所述屏幕的法线方向以规定角度从倾斜方向进行投影的投影光学部；
所述屏幕至少包含菲涅耳透镜片，在该菲涅耳透镜片的光出射侧呈同心圆状地设置有多个菲涅耳透镜；
使所述多个菲涅耳透镜的棱镜面连续地相互连接时所形成的原表面的形状，成为非球面形状；
在所述菲涅耳透镜片的光入射面的、包含与所述菲涅耳透镜的中心相对的位置的规定区域内，在垂直方向上排列有多个在水平方向上延伸形成的入射面棱镜。
6.如权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于：所述投影光学部，包含用于反射被放大的图像，并将其导向所述屏幕的曲面镜；决定所述原表面的非球面形状的非球面系数被设定为，使由该曲面镜反射并从所述菲涅耳透镜片的入射面入射的投影图像，在所述屏幕的大致整个表面上，从所述菲涅耳透镜片的出射面，以大致0度的出射角出射。
7.一种屏幕，该屏幕用于投影型图像显示装置，其特征在于：至少具有，
在光出射面上形成有多个同心圆状的菲涅耳透镜的菲涅耳透镜片，和
配置在该菲涅耳透镜片的光出射侧、用于使来自该菲涅耳透镜片的出射光至少在水平方向上扩散的扩散片；
该菲涅耳透镜的棱镜角，随着从所述同心圆状的菲涅耳透镜的中心向半径方向而增大；
在所述菲涅耳透镜片的光入射面的、包含与所述菲涅耳透镜的中心相对的位置的规定区域内，在垂直方向上排列有多个在水平方向上延伸形成的入射面棱镜。
8.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：来自发生图像的图像发生源的中心的光束，相对所述菲涅耳透镜片的入射面的垂线，从倾斜方向入射。
9.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：使所述多个菲涅耳透镜的棱镜面连续地相互连接时所形成的原表面的形状，成为非球面形状。
10.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：当所述屏幕的垂直方向的尺寸为T时，排列有所述入射面棱镜的所述规定垂直范围的大小为T/15～T/4。
11.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：所述屏幕的中央部的所述入射面棱镜的棱镜高度，比该中心以外的棱镜高度低。
12.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：在包含所述垂直范围的屏幕中央部的区域内，不形成所述入射面棱镜。
13.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：所述菲涅耳透镜的中心位于所述屏幕的下端附近，所述入射面棱镜与该屏幕的下端的边大致平行。
14.如权利要求7所述的屏幕，其特征在于：所述扩散片，具有在水平方向上排列的多个双凸透镜，用于通过使从所述菲涅耳透镜片出射的光至少在水平方向上反射而使光扩散的全反射面，或微小颗粒。
15.一种菲涅耳透镜片，用于投影型图像显示装置用的屏幕，其特征在于：具有，
设置在所述菲涅耳透镜片的光出射面上的同心圆状的菲涅耳透镜，和
设置在所述菲涅耳透镜片的光入射面的、包含与所述菲涅耳透镜的中心相对的位置的规定区域内的入射面棱镜；
所述入射面棱镜，在水平方向上延伸形成，且在所述规定垂直范围中，在垂直方向上排列有多个；
该菲涅耳透镜的棱镜角，随着从所述同心圆状的菲涅耳透镜的中心向半径方向而增大。
16.如权利要求15所述的菲涅耳透镜片，其特征在于：使所述多个菲涅耳透镜的棱镜面连续地相互连接时所形成的原表面的形状，成为非球面形状。
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