专利名称：菲涅耳透镜及使用这种透镜的投影显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种菲涅耳透镜以及一种使用这种透镜的投影显示设备。
背景技术：
已知将菲涅耳透镜用于光学技术中，可以获得一般的准直效果，同时透镜厚度减小。
例如，在专利申请JP 2002-221 605中公开了这种类型的透镜。该透镜使光源发出的入射光线变平行。为此，透镜包括棱镜元件，将从光源接收到的光线矫正为平行光束。
例如，该透镜用于投影显示设备中。实际上，在这种设备中，通过投影系统将较小的成像器(imager)投影到显示屏幕上，在屏幕上的入射角遍布预定的范围，例如从30°到60°。
因此，从投影系统接收到的流必须由菲涅耳透镜进行全局准直，即，在水平方向矫正，然后通过暗矩阵进行一般微聚焦，然后扩散到所希望的观察场中。
根据JP 2002-221 605，透镜的设计如下接收低入射角的光线的棱镜元件工作于折射模式，而接收高入射角的光线的棱镜元件工作于反射模式。
结果，在高入射角的区域中以及低入射角的区域中具有良好的效率。然而，在中间区域中，无论使用何种类型的棱镜，效率仍然一般。
发明内容
特别地，为了解决此问题，本发明提出了一种菲涅耳透镜，包括至少一个第一棱镜和一个第二棱镜，每一棱镜具有第一侧面和第二侧面，第二侧面与主轴形成的角度大于第一侧面与主轴(AA′)形成的角度，第一棱镜的第二侧面被设计为将从光源接收到的光准直为平行于主轴，其中第二棱镜的第二侧面被设计为沿不同于主轴的第一方向透射从光源接收到的光。
于是，通过接受第二棱镜的第二侧面所透射(即，反射或折射)的光线的去平行性，可以调整这一侧面的取向，以获得更好的光学效率，即更好的效率。
在两个区域(每个区域具有上述类型的棱镜)的边界处，第一棱镜与第二棱镜相邻。
根据优选实施例，第一方向偏离主轴。
这使得能够获得必要幅度的效果。
一般地，第一方向和主轴之间形成大于1°的角度，优选地大于2°，并且小于10°，优选地小于5°。
第一和第二棱镜可以工作于反射模式或折射模式。第一和第二棱镜的反射或透射模式可以相同或不同。在后一种情况下，可以提供第三棱镜，被设计为沿平行于主轴的方向反射从光源接收到的光；在这种情况下，还可以提供至少一个第四棱镜，被设计为沿不同于主轴的第二方向反射从光源接收到的光。更一般地，可以提供两个、三个或四个棱镜，每一个棱镜被设计为反射或折射所接收到的光。
本发明在投影显示设备中尤其有利。因此，还提出了一种投影显示设备，包括生成图像的装置，将图像投影到屏幕上的装置，其中屏幕包括根据本发明的菲涅耳透镜和光学聚焦和/或扩散元件。
根据如下参考附图的描述，本发明的其他特征将变得显而易见，附图中图1示出了应用本发明的示例性显示设备；图2示出了根据本发明教导生产的光学引擎和屏幕；图3具体地示出了图2中工作于反射模式的棱镜；图4具体地示出了图2中工作于折射模式的棱镜。
具体实施例方式
图1所图示的显示设备包括发光系统2，其产生二进制光束Bill，由成像器(或光阀)4接收。
成像器4确定二进制光束Bill中哪些部分必须发送到成像系统，从而产生二次光束Bimg，其代表待显示的图像。
例如，以像素阵列的形式产生成像器4。每个像素根据待显示图像中相应像素应该发光的强度，对入射光线(原光束Bill的一部分)进行作用。
成像系统6将来自成像器的光向着显示屏幕10投射。
在图1所示的示例中，屏幕10上入射光线的入射角在从其底部的角度θ1(约10°)到其顶部的角度θ2(约60°)的范围内改变。
图1的屏幕10的设计类似于下面在图2中所示、并且详细描述的设计，但是当然可以只包括在菲涅耳透镜上被设计为接收角度范围从θ1到θ2的入射光线的区域。
图2实际上图示了从光学引擎14接收定义待显示图像的光束的屏幕12。光学引擎14包括与图1的发光系统2、成像器4和成像系统6相同的元件。
屏幕12包括对从光学引擎14接收到的光束进行全局准直的菲涅耳透镜16、支撑光学元件20的平板18和暗矩阵22。
暗矩阵22包括交替的黑暗区域24和透明区域26。平板18的光学元件20具体用来将平板18上的入射光束的每一部分聚焦在暗矩阵22的透明区域26中。暗矩阵22的使用增加了显示设备的对比度。
光学元件20还用来将光束扩散在绕屏幕12的主轴AA′(与屏幕垂直的轴)的某一立体角中，以便即使在观察者不是正好位于轴上时也能在屏幕上正确产生显示。
当然，图2中光学元件20和区域24、26的数目有限，以便不破坏解释的清楚性。实际上，这些元件的数目无疑远大于此，达到对于待显示图像中每个像素存在数个元件的程度。
如前所述，菲涅耳透镜16一般用来对从光学引擎14接收到的光束进行准直，以便获得光学元件20对光束的正确处理。
菲涅耳透镜16关于系统的主轴AA′具有旋转对称性。菲涅耳透镜16包括工作于反射模式的棱镜(图3中具体示出的第一区域18中)和工作于折射模式的棱镜(图4中具体示出的第二区域T中)。
在第一区域R的第一区Z1中(图3)，传统地产生棱镜28、40，即，它们包括强烈倾斜(即，与主轴形成小角度)、对入射光线产生折射的第一侧面30以及通过将入射光线R1反射为与主轴AA′平行的光线R1′对入射光线R1进行准直的第二侧面32。
在第一区域R的第二区Z2中，与传统技术相比，稍稍修改棱镜34。实际上，棱镜34也包括强烈倾斜的第一侧面36(与主轴形成约20°的角度，通常小于30°)以及向前方即向着平板18反射入射光线R2的第二侧面38。
然而，第一和第二侧面36、38不是精确地按照对光线R2进行准直的方式来取向，而是略微修改它们的取向，以改进棱镜34的整体透射模式效率，例如通过减小由于损失光线Rp(经由第一侧面30、36进入、但是没有与第二侧面32、38相交的光线)而产生的损耗。
棱镜34顶点的角度通常受到刻蚀工具的限制，因此，通过将侧面36、38倾斜相同的量从而保持顶点的角度恒定，可以针对传统设计对棱镜34的侧面36、38有利地进行修改。
于是，以这种方式改进效率需要去除输出光束的平行性，因此第二侧面38所反射的光线R2′将与主轴AA′形成非零角度α。
然而，当在两种情况下第一侧面36取向为顶点处的角度为刻蚀工具可能达到的极限角度时，第二侧面38的倾斜β和在允许对光线R2进行准直的情况下的倾斜β0之间的差Δβ必须受到限制，以便不破坏系统的光学操作。Δβ的值优选地为几度，通常小于5°。
实际上，棱镜34的第二侧面38所反射的光线R2′与主轴AA′形成非零角度α。利用优选的Δβ值(见上)，结果通常是小于10°的角度。在某些情况下，例如当光学容限低时，第二侧面38将取向为获得小于5°的α。
优选地，与传统取向(β0)相比，以并不是微不足道的方式修改第二侧面38的取向(β)，以获得棱镜34效率的实质改进。例如，这种并不微不足道的修改导致最小1°的去平行性(α)，甚至最小2°的去平行性(α)。
可知，在这种情况下通过使用比实现准直的传统倾斜β0更大的倾斜β，反射光线R2′偏离主轴AA′。
根据一个可能的实施例，棱镜34的第二侧面38实质上平行于第一区Z1中棱镜40的相应侧面。从图3可知，第二区Z2的棱镜34和第一区Z1的棱镜40相邻。
当然，可以对每一区Z1、Z2提供不同数目的棱镜；于是，第一区Z1可以仅包含一个单独棱镜28或多于两个的多个棱镜28，并且第二区Z2可以包含数个棱镜。
在第二区域T的第一区Z3中(图4)，传统地产生棱镜41它们包括实质上与主轴AA′平行的第一侧面42(对于制作光线，通常为3°)和第二侧面44，第二侧面44取向为通过折射对入射光线R3准直，即，棱镜41所透射的光线R3′平行于主轴AA′。
在第二区域T的第二区Z4中，棱镜46或每个棱镜46与传统设计相比稍稍修改尽管棱镜46的第一侧面48传统地实质上与主轴AA′平行，棱镜46的第二侧面50与传统设计相比略微倾斜，从而入射光线R4不是准确地平行于主轴AA′透射，而是沿着略微不同的方向R4′，并且这是为了改进棱镜46的整体效率。
因此，棱镜第二侧面50和主轴AA′(实际上以穿过主轴AA′的平面定义)之间的角度δ与主轴和在允许对光线R4准直的情况下(即，将光线R4反射为平行于主轴AA′的光线)的侧面之间的角度δ0相差数值Δδ。
因此，通过棱镜46的折射而透射的光线R4′与主轴AA′形成非零角度γ。
由上可知，光线R4′与主轴AA′之间的角度γ(因此，代表去平行量)优选地大于1°，甚至2°，以获得实质的效率改进效果。
类似地，角度γ优选地小于10°，或者必要时甚至小于5°，以避免恶化系统的光学特性。
在图4所示的有利实施例中，定义第二区Z4中棱镜46的第二侧面50相对于主轴AA′的取向的角度δ被选择为大于根据传统设计在此点允许对光线R4准直的角度δ0。因此，光线R4在第二侧面50上的入射角小于在传统设计中的情况，并改进了棱镜46的效率，一方面是通过减小与折射相关的菲涅耳损耗，但是主要是通过减小由第一侧面48引入的损耗，因此减小了其大小(损失光线Rp′)。
因此，在这种情况下，棱镜46所透射的光线R4′偏离主轴AA′。
例如，可以将第二区Z4中棱镜46的第二侧面50定义为实质上平行于与之相邻的第一区Z3中棱镜41的第二侧面44。
本发明所提出、并且上面参考图3和4详细描述的菲涅耳透镜16在投影显示设备(例如，参考图1和2所描述的投影显示设备)中是尤其令人感兴趣的。
实际上，位于菲涅耳透镜16下游的光学系统，即，通常是光学元件20的平板18和暗矩阵22，允许入射光束的去平行性为大约5°到10°。
当然，刚刚描述的本发明不限于所述实施例。
具体地，为了透射光束，根据本发明，菲涅耳透镜具体可以包括两个、三个或四个区域，可以通过以下方式来区分这些区域，其中棱镜的第二侧面接收到的光根据如下两个参数透射-第一参数与透射模式相关，透射模式可以是反射(相应棱镜的第二侧面被设计为反射从源接收到的光)或折射(相应棱镜的第二侧面被设计为折射从源接收到的光)；以及-第二参数涉及所接收到的光的透射方向，或者与透镜的主轴平行，或者沿不同方向。
根据本发明，这两个参数可以以所有可能的方式组合，只要不违反如下条件至少一个区域沿着主轴方向透射所接收到的光，并且至少一个区域沿着不同方向透射所接收到的光。
于是，在具有两个区域的透镜中，可以具有两个透射或反射类型的透射模式或者两个具有不同透射模式的区域。
在具有三个区域的透镜中，可以具有两个根据第一模式的区域以及一个根据第二不同模式的区域；还可以具有一个或两个区域，其中棱镜的第二侧面沿着主轴方向透射所接收到的光。
优选地，在具有其中棱镜以不同透射模式工作的区域的透镜中，其中棱镜工作于反射模式的区域或每个区域最靠近透镜的主轴。
作为说明，在透镜中，区域的限制优选地遵守如下特性-其中棱镜工作于折射模式、且沿着透镜主轴透射的区域，入射光线的入射角小于约20°；-其中棱镜工作于反射模式、且沿着透镜主轴透射的区域，入射光线的入射角大于约40°；-在具有沿不同于透镜主轴的方向透射的两个区域的透镜中，在这两个区域之间的边界处，入射光线的入射角等于约30°。
因此，例如，特定的实施例可以包括区域Z1至Z4(如图3和4所示)的如下组合(下述序列的第一元素最靠近透镜的轴)(Z3，Z4)、(Z3，Z2)、(Z4，Z1)、(Z2，Z1)、(Z3，Z4，Z2)、(Z3，Z4，Z1)、(Z4，Z2，Z1)、或(Z3，Z4，Z2，Z1)。
此外，优选地，透镜中棱镜的顶点处的角度是恒定的，以有助于制造，并且例如等于40°，或更一般地，在35°和45°之间。
为了确定棱镜所透射的光束的取向，可以使用传统装置，例如使用如图3或4所示的平均光线，或者测量棱镜所透射的光线的取向的平均值。
权利要求
1.一种菲涅耳透镜，包括至少一个第一棱镜(28；40；41)和一个第二棱镜(34；46)，每一棱镜具有第一侧面(30；36；42；48)和第二侧面(32；38；44；50)，第二侧面(32；38；44；50)与主轴(AA′)形成的角度大于第一侧面(30；36；42；48)与主轴(AA′)形成的角度，第一棱镜(28；40；41)的第二侧面(32；44)被设计为将从光源接收到的光准直为平行于主轴(AA′)，所述菲涅耳透镜具有关于所述主轴的旋转对称性，其特征在于，第二棱镜(34；46)的第二侧面(38；50)被设计为沿不同于主轴(AA′)的第一方向(R2′；R4′)透射从光源接收到的光。
2.根据权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一棱镜(40)与第二棱镜(34)相邻。
3.根据权利要求1或2所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一方向(R2′；R4′)偏离主轴(AA′)。
4.根据权利要求1至3之一所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主轴(AA′)之间形成大于1°的角度。
5.根据权利要求4所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主轴(AA′)之间形成大于2°的角度。
6.根据权利要求1至5之一所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主轴(AA′)之间形成小于10°的角度。
7.根据权利要求6所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主轴(AA′)之间形成小于5°的角度。
8.根据权利要求1至7之一所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一(28，40)和第二(34)棱镜工作于反射模式。
9.根据权利要求1至7之一所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一(41)和第二(46)棱镜工作于折射模式。
10.根据权利要求1至7之一所述的菲涅耳透镜，其特征在于第一棱镜工作于第一反射或透射模式，并且第二(46)棱镜工作于与第一模式不同的第二反射或透射模式。
11.根据权利要求1至10之一所述的菲涅耳透镜，其特征在于至少一个第三棱镜(28，40)被设计为沿平行于主轴的方向透射从光源接收到的光，第三棱镜工作于与第一棱镜的工作模式不同的反射或透射模式。
12.根据权利要求8、9和11中任一项所述的菲涅耳透镜，其特征在于至少一个第四棱镜(34)被设计为沿不同于主轴的第一方向透射从光源接收到的光，第四棱镜工作于与第二棱镜的工作模式不同的反射或透射模式。
13.一种投影显示设备，包括生成图像的装置(2，4)；将图像投影到屏幕(10；12)上的装置(6)；屏幕包括菲涅耳透镜(16)和光学聚焦和/或扩散元件(16)，其中，菲涅耳透镜符合权利要求1至11之一。
全文摘要
菲涅耳透镜包括至少一个第一棱镜(28)和一个第二棱镜(34)。每一棱镜具有第一侧面(30，36)和第二侧面(32，38)，第二侧面(32，38)与主轴(AA′)形成的角度大于第一侧面(30，36)与主轴(AA′)形成的角度。传统上，第一棱镜(28)的第二侧面(32)将从光源接收到的光(R1)准直为平行于主轴(AA′)。为了改进光学效率，第二棱镜(34)的第二侧面(38)沿着与主轴(AA′)略有不同的第一方向(R2′)透射从光源接收到的光(R2)。
文档编号G03B21/62GK1906504SQ200580001945
公开日2007年1月31日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月7日
发明者阿尔诺·舒伯特, 帕斯卡尔·伯努瓦 申请人:汤姆森许可贸易公司