用于显示设备的平谷菲涅耳透镜的制作方法

专利名称：用于显示设备的平谷菲涅耳透镜的制作方法
相关申请的交叉参考本美国专利申请是申请号为10/693,615的在先美国专利申请的部分继续申请并要求该在先申请的优先权利益，该在先申请于2003年10月23日提交，标题为“RearProjection Display(背投影显示)”，所列发明人为Mark D.Peterson和JeffreyA.Gohman，而该在先申请是申请号为10/222,083且于2002年8月16日提交的美国专利申请的部分继续申请。
背景技术：
为了提供屏幕尺寸超过约40英寸的电视机，通常使用直视阴极射线管(CRT)之外的显示设备。随着CRT的屏幕尺寸增加，其深度也增加。通常认为，对超过40英寸的屏幕尺寸来说，直视CRT已不再实用。对大屏幕(＞40英寸的屏幕尺寸)显示器存在三种选择投影显示器、等离子显示器，及液晶显示器(LCD)。
当前的等离子和LCD显示器都比投影显示器贵得多。等离子和LCD显示器通常薄得可以安装在墙上，但是可能重得难以安装。例如，当前的42英寸等离子显示器可能重80磅或更重，而60英寸的等离子显示器可能重150磅或更重。等离子和LCD显示器相对当前的投影显示器的一个优点是它们通常比当前具有相同尺寸的投影显示器薄得多。
投影显示器，具体来说是背投影显示器，通常比等离子显示器更加节约成本。为了对大屏幕需要提供实际的解决方案，投影显示器还可能在房间中占用过大的空间。例如，典型的60英寸背投影显示器有24英寸厚并且可能重200到300磅。


图1示出现有技术的背投影显示设备。总的来说，显示设备100包括光学引擎140、投影透镜130、背板反射镜120，及屏幕110。光学引擎140生成要投影在屏幕110上的图像。投影透镜130将来自光学引擎140的图像投影到背板反射镜120上，后者将图像反射到屏幕110上。显示设备100的尺寸和要在屏幕110上显示的图像尺寸成比例。这样，对于大屏幕尺寸(如，＞60英寸)，显示设备100的总体尺寸可能非常大。
菲涅耳透镜可用于将投影的图像指向观看者。现有的背投影显示设备因为来自菲涅耳表面的表面反射而很厚。随着入射角增大(在菲涅耳的平坦面上)，从空气-塑料界面反射的光量也增加，从而降低图像的均匀度。具有本领域普通技术水平的人也熟悉菲涅耳表面反射的计算。
图2示出用菲涅耳透镜实现的现有背投影显示设备200。现有背投影显示设备200包括光学引擎210、投影透镜220、菲涅耳透镜230，及漫射屏240。碰撞菲涅耳透镜230透射面的光可以相对于光轴250大致对称。使用这样的菲涅耳透镜可能产生光人工效应，如散射光。这些光人工效应会影响所显示图像的质量。

发明内容
提供一种用于显示设备的菲涅耳透镜。该菲涅耳透镜包括成角的第一斜面以用于接收输入光，面对第一斜面的第二斜面，及连接第一斜面与第二斜面的谷底。该谷底可以配置为散射从第一斜面反射过来的散射光。
附图简要说明在附图中作为示例而非作为限制示出本发明，在附图中，相同的参考标号指示相同的元素。
图1示出现有技术的背投影显示设备。
图2示出现有的用菲涅耳透镜实现的背投影显示设备。
图3示出具有平行于屏幕的平面反射镜的超薄背投影显示设备的一个实施例。
图4示出用于背投影屏幕的具有截面轮廓的菲涅耳透镜。
图5示出具有39°槽角的菲涅耳透镜的截面轮廓视图。
图6a示出包括各具不同槽角的两个区(zone)的菲涅耳透镜的正视图。
图6b示出包括具有35°槽角的第一区和具有41°槽角的第二区的双区菲涅耳透镜的截面轮廓视图。
图7示出与具有10°齿面角的菲涅耳透镜呈60°输入角的输入光线。
图8示出包括具有不同槽角的两个区及所述区的过渡区域的菲涅耳透镜设计的轮廓截面视图。
图9示出菲涅耳透镜设计中选择部分的轮廓截面视图。
图10示出包括在透镜的相反两面上的两个区及两个区的过渡区域的菲涅耳透镜的一个实施例。
图11示出具有广角透镜的背投影显示设备的一个实施例。
图12示出背投影显示设备1200和潜在的散射光问题。
图13示出具有减少散射图像的元件的背投影显示设备1300。
图14示出散射光而非一致地反射光的示例凸缘1410。
图15示出漫射可能形成散射图像的光的示例漫射层1510。
图16示出根据本发明实施例的齿面角(γ)和输出光线角(β)之间的关系。
图17提供齿面角(γ)和输出光线角(β)根据本发明的实施例作为到菲涅耳透镜中心的径向距离的函数而变化的示例图示。
图18是屏幕1800的正视图。
图19示出背投影显示设备1900。
图20示出来自菲涅耳透镜的散射光产生。
图21进一步示出来自菲涅耳透镜的散射光产生。
图22示出根据本发明实施例的菲涅耳透镜的平谷配置。
图23是第一像素的光模式图示，其中使用第一配置的菲涅耳透镜产生该光模式。
图24是第一像素的光模式图示，其中使用第二配置的菲涅耳透镜产生该光模式。
图25是第二像素的光模式图示，其中使用第一配置的菲涅耳透镜产生该光模式。
图26是第二像素的光模式图示，其中使用第二配置的菲涅耳透镜产生该光模式。
图27是图22的平谷配置的另一个图示。
图28提供根据本发明实施例的菲涅耳透镜的深度比与到菲涅耳透镜中心的径向距离共同作用的示例图表。
图29提供菲涅耳透镜配置的谷深度、光线和模作为对斜度之比作为到菲涅耳透镜中心的径向距离的函数共同作用的示例图表。
具体实施例方式
描述了一种超薄背投影显示系统。在下面的说明中，出于解释目的，阐明了众多具体细节，以提供对本发明的完整理解。然而，对熟悉本领域技术的人来说显然可以不通过这些具体细节来实施本发明。在其他示例中，以框图形式示出各种结构和设备，以使本发明更清楚。
本文中所描述的超薄背投影显示设备包括广角透镜系统及一个或多个平行于屏幕的平面反射镜，其中图像将显示在该屏幕上。在一个实施例中，该屏幕具有多个槽角，以提供比具有单个槽角的屏幕更好的照明。如下文中更详细的说明，该屏幕可以是具有一个或多个槽角的菲涅耳透镜。
图3示出具有平行于屏幕的平面反射镜的超薄背投影显示设备的一个实施例。如下文中更详细的说明，使用平行于屏幕的平面反射镜以及具有垂直于反射镜及屏幕光轴的广角投影透镜允许超薄背投影显示设备比现有技术的背投影显示设备更薄、更简单。例如，如在本文中所述的超薄背投影显示设备不到7英寸厚，但可以产生60英寸的图像。
在一个实施例中，超薄背投影显示设备300包括屏幕310、背板反射镜320、中间反射镜330、透镜系统340及数字微镜装置(DMD)350。为说明简单起见，并未示出其它组件，例如图像生成组件。可以按现有技术中的任何已知方式向DMD350提供图像。DMD350选择性地将来自光源(未在图3中示出)的光反射到透镜系统340。其他类型的装置(如，微电子机械系统(MEMS)、栅状光阀(GLV)、液晶显示器(LCD)、硅上液晶装置(LCOS))也可用于向透镜系统340提供图像。在一个实施例中，反射镜可以基本上平行于屏幕，这意味着可以有+/-10°的对齐误差。在一个实施例中，广角透镜系统的光轴可以基本上与屏幕正交，这也意味着可以有+/-10°的对齐误差。
在一个实施例中，DMD350从透镜系统340的光轴偏移，从而只使用可用透镜视场的一部分(如，50％、60％、40％)。在本发明的一个实施例中，来自DMD350的图像可以由透镜系统340在透镜视场的上半部分中投影到中间反射镜330。然后图像可以被反射到背板反射镜320并最终到达屏幕310。
在本发明的一个可选实施例中，来自DMD350的图像可以由透镜系统340在透镜视场的下半部分中投影到中间反射镜330。在这样的实施例中，广角透镜系统340可以至少部分地高于中间反射镜330。中间反射镜330接下来可以至少部分地高于背板反射镜320。图像然后被反射到背板反射镜320并最终到达屏幕310。
为了按所述方式投影图像，透镜系统340可以是超广角透镜系统。在一个实施例中，透镜系统340具有152°或更大的视场角度；不过，也可以使用其他透镜。总的来说，透镜系统340的角度越大，就可以制造出越薄的显示设备300。适合的广角透镜系统的说明在申请号为10/222,050、标题为“Wide Angle Lens System Having aDistorted Intermediate Image(具有畸变中间图像的广角透镜系统)”并于2002年8月16日提交的美国专利申请中描述，将该申请结合在此作为参考。
中间反射镜330将图像反射到背板反射镜320，后者将图像反射到屏幕310。在一个实施例中，屏幕310是菲涅耳透镜。背板反射镜320也是平面反射镜且平行于屏幕310并垂直于透镜系统340的光轴。因为透镜系统340的光轴垂直于中间反射镜330且中间反射镜330和背板反射镜320均为平面并平行于屏幕310，在显示设备300中没有成角透镜和非球面镜造成的畸变。这简化了显示设备300的设计并降低了制造成本和复杂性。
图4示出用于背投影屏幕的具有截面轮廓的菲涅耳透镜。图4提供可用于各种背投影显示设备的菲涅耳透镜的截面的概念性图示。菲涅耳透镜可以用两个角描述。齿面角定义为光进入时所通过的每个单槽表面的角，或在某些折射设计的情况下是光相对于透镜的光轴离开菲涅耳透镜的角。槽角是输入面和反射面之间形成的角，或在折射透镜的情况下是槽的光学表面和非光学表面之间形成的角。齿面角和槽角在下文中参考图16更充分地进行论述。
在一个实施例中，菲涅耳透镜400可以包括具有一个或多个预先确定的槽角的很多同心槽。用于制造和使用具有单个槽角的菲涅耳透镜的方法在现有技术中是已知的。在使用投影透镜系统的完整透镜视场的背投影显示设备中，将菲涅耳透镜400的中心部分420用于显示设备的透镜。
虚线矩形420提供对来自菲涅耳透镜400中心部分的屏幕的指示。透镜中要使用的那部分的尺寸和形状对应于显示设备的屏幕的尺寸和形状。例如，在某些背投影显示器中，区域420的中心可用于屏幕，这是菲涅耳透镜420的中心。
在使用偏移DMD(或其他装置)从而只使用投影透镜视场的一部分时，菲涅耳透镜400中用于屏幕的区域对应地从菲涅耳透镜400的中心偏移。例如，如果使用投影透镜视场的上半部分，则屏幕部分410的底边穿过菲涅耳透镜400的中心。
图5示出具有39°槽角510的菲涅耳透镜500的截面轮廓视图。图5中的透镜可与例如图3的显示系统一起使用。在与如图3所示且具有相对于图4描述的偏移的显示系统一起使用时，该39°槽角提供了钻石切割机结构完整性和透镜性能之间的平衡。
在槽角增加时，投影到透镜500底部中心的图像变暗，因为光线通过透镜而没有从预期的槽外表的全内反射(TIR)表面反射。在槽角减小时，投影到透镜500顶角的图像变暗，因为反射的光线被指向下方并远离观看者。同样，在槽角减小时，用于制造透镜500的工具会变得无法有效工作。
图6a示出包括各具不同槽角的两个区的菲涅耳透镜的正视图。图6a的实施例示出具有两个槽角的两个区；然而，可以使用具有相应槽角的任何数量的区。透镜的槽角可以连续地变化。同样，虽然图6a的示例示出了圆形区域，但也可以使用其他形状。
在一个实施例中，内部区域620具有约35°的槽；不过，也可以使用其他槽角。在用于大屏幕时，全部只具有单个槽角的菲涅耳透镜提供的照明不均匀。在一个实施例中，外部区域610具有约41°的槽；不过，也可以使用其他槽角。在可选实施例中，内部区域620和外部区域610可以提供折射和/或反射透镜的任何组合。在一个实施例中，透镜600的投影机一面具有槽，而观看者一面是平面。在可选实施例中，透镜600在两面都具有槽。
图6b示出包括具有35°槽角的第一区及具有41°槽角的第二区的双区菲涅耳透镜的截面轮廓视图。图6b的透镜可与例如图3的显示系统一起使用。与图5的透镜相比，图6b的透镜可以提供改进的均匀性。
在一个实施例中，区620的槽提供折射透镜，而区610的槽提供全内反射(TIR)透镜。透镜600的折射和反射区可以在透镜的同一面(如，投影机一面)或透镜600的折射和反射区可以在相反的面上(如，反射在投影机一面而折射在观看者一面)。在下文中参考图10描述本发明的实施例的示例，其中透镜的折射和反射区在相反的面上。如下文中更详细的说明，可以使用过渡区域来减少或甚至消除所述区之间的过渡造成的图像人工效应。对双面透镜，可以将两个单面透镜对齐并将每个透镜的平的一面粘合在一起。或者，可以例如通过固化处理来制造透镜的一面，而附加的槽可以通过相同的处理在透镜相反的一面上直接形成。
图7示出具有60°输入角的输入光线及具有10°齿面角的菲涅耳透镜。对输入光的陡峭角(如，大于约45°)，可以设计槽的齿面角，使得所有光进入菲涅耳透镜、经反射面反射并直接向观看者传播。例如，输入光720通过槽面700并被轻微地折射。折射光730由反射面710反射向观看者(未在图7中示出)。对多数应用来说，反射光740被指向观看者。
在输入光的角增加时，存在一个角在该角折射光接触不到反射面710。这会发生在例如屏幕底部中心最接近菲涅耳中心的槽处。这部分光损失了并通过菲涅耳结构传播，产生幻象或使对比度降低。损失的光会降低屏幕区域底部中心(且可能是到处，这取决于反射镜相对于屏幕在什么位置)的对比度。
一种减少幻象光线并提高这些区域中的对比度的方法是改变反射齿面角，使得透镜设计为收集尽可能多的光，而不是将光指向观看者。其结果是，反射的光线740向下传播。这提高了所显示图像的对比度，但向下的光也未被改变方向到观看者，并且看起来较暗。
可以设计齿面角，从而来自于输入光线较陡峭的屏幕顶角的光被稍微地朝向透镜中心反射以提高图像角落处能察觉到的亮度。在下文中参考表1、等式2、表2及图17更充分地描述本发明的实施例的示例，其中来自屏幕顶角的光被朝向透镜中心反射。
图8示出包括具有不同槽角的两个区及所述区之间的过渡区域的菲涅耳透镜设计的轮廓截面视图。透镜800如图所示仅包括少量的槽、区和区域。这是为说明简单起见。可以使用包括任何数量的槽、区和/或区域的菲涅耳透镜。
如在本文中所用，“区”是菲涅耳透镜上具有特定槽角的区域(在槽角并不连续变化时)。“区域”是菲涅耳透镜上其中齿面角(γ)由单个等式定义的区域。区可以包括多个区域。在一个实施例中，在区边界处包括一个或多个过渡区域以提供平滑的区过渡。
在一个实施例中，定义可以是半径r的函数的第一区域的齿面角的等式F及定义第二区域的齿面角的等式G在区域边界处相等。换句话说，F(r1)＝G(r1)，其中r1是区域边界。此外，定义某区域的齿面角的等式的一阶导数等于定义该区域边界处的齿面角的等式的一阶导数。换句话说，F’(r1)＝G’(r1)，其中r1是区域边界。此要求规定了不可见的过渡，因为齿面角的改变是平滑连续的。
图9示出菲涅耳透镜设计的轮廓截面视图。在一个实施例中，下面的等式描述了菲涅耳透镜设计的各类角。也可以使用可选的角关系。在下面的等式中，θ6是输入角，或输入光线920与水平方向的角；γ是齿面角，或折射面910与水平方向的角；δ是反射齿面角，或反射面900与水平方向的角；ρ是折射光线角，或折射光线930与水平方向的角；θ2是反射光线角，或反射光线950与水平方向的角；及β是输出光线角，或输出光线960与水平方向的角。
在一个实施例中，使用下面的等式来确定用于各个区域的角。对固定的峰值角(峰值角k＝γ+δ)，可以计算齿面角来创建没有幻象光线在其接近底部中心处的菲涅耳透镜，并修正该齿面角来增加通过量。
对两区域实施例，内部区域可以是由下述等式定义的无损系统F(R,γ):=[tan(γ)·(tan(γ)+2·tan(k-γ))+tan(π2-γ-asin(cos(atan(Rf1+γ))n))·tan(k-γ)tan(π2-γ-asin(cos(atan(Rf1)+γ)n))-tan(k-γ)-Rf1]]]>其中n是菲涅耳透镜材料的折射率，k是槽角，R是到菲涅耳透镜中心的半径，而f1是菲涅耳透镜的焦距。
外部区域由下述等式定义F2(R,γ):=π2-γ-asin(cos(atan(Rf1)+γ)n)-2(k-γ)-θ2]]>图10示出包括在透镜两面上的具有槽的两个区及两个区的过渡区域的菲涅耳透镜的实施例。菲涅耳透镜1090包括两个区一个折射区和一个反射区，以及这两个区之间的过渡区域。在可选实施例中，透镜1090可以在一面上包括一个或多个区。
在一个实施例中，菲涅耳透镜1090包括是常规折射菲涅耳透镜设计1000的内部区。该内部区可以包括向外延伸直到外部区变得比该内部区更加有效的透镜1090的中心。菲涅耳透镜1090还包括是全内反射菲涅耳设计1020的外部区。如果内部区的折射设计延伸到透镜边缘，与之相比，外部区将更多的光指向观看者。
为了降低或甚至消除透镜1090的折射和反射部分之间的不连续性，故将过渡区域1010包括进来。在一个实施例中，在过渡区域1010中，菲涅耳透镜1090内部的光线从折射设计的朝上的角逐渐改变到反射设计的水平的角。由于重叠的光线，这种逐渐的改变降低了图像的不连续性。
图11示出具有广角透镜的背投影显示设备的一个实施例。显示设备1100包括屏幕1110、广角透镜系统1120和DMD1130。在一个实施例中，屏幕1110是如上文中更详细描述的菲涅耳透镜。
图像可以由现有技术中已知的光学引擎组件(未在图11中示出)生成并通过DMD1130指向广角透镜系统1120。在某些实施例中，DMD1130可以由其他组件代替，例如，微电子机械系统(MEMS)、栅状光阀(GLV)、液晶显示器(LCD)、硅上液晶装置(LCOS)等。在一个实施例中，DMD1130的光轴与广角透镜系统1120的光轴对齐，从而使用完整的透镜视场来将图像投影到屏幕1110。在可选的实施例中，DMD130的光轴可以从广角透镜系统1120的光轴偏移。使用菲涅耳透镜，如上所述，可以提供具有更好的亮度均匀度的更薄的系统。
扩散的散射光图12示出背投影显示设备1200及潜在的散射光问题。背投影显示设备1200包括屏幕1210、背板反射镜1220、中间反射镜1230、广角透镜系统1240，及数字微镜装置(DMD)1250。DMD1250和广角透镜系统1240将图像投影到中间反射镜1230上。中间反射镜1230将所投影的图像反射到背板反射镜1220上。从背板反射镜1220反射的光可以产生所需的图像(如，光线1254)和不需要的图像(如，散射光线1258、1260和1262)。例如，如果光沿参考标号1252定义的路径传播，则它可以产生所需光线1254。
屏幕1210的斜面(如，平坦的输出表面)充当非常好的反射镜面且一致反射碰撞在表面上的部分光。从屏幕1210的斜面一致反射的光会产生令人不快的散射图像。例如，光可以沿参考标号1252、1266、1268和1270定义的路径传播来产生散射光线1258。类似地，光可以沿1252和1274定义的路径传播来产生散射光线1262。“散射光”可以采取的路径的第三个示例由参考标号1252、1276、1278和1280示出，这产生散射光线1260。具有本领域普通技术水平的人应理解，散射图像可以由沿图12中所示的示例路径之外的路径传播的光产生。
图13示出具有用于减少散射图像的元件的背投影显示设备1300。背投影显示设备1300可以包括图13中所示的那些组件之外的多个组件或图13中所示组件的子集。然而，所有这些一般常规组件不一定都是为了揭示散射光的减少而示出的。
在一个实施例中，背投影显示设备1300包括菲涅耳透镜1310、背板反射镜1320、中间反射镜1330、广角透镜系统1340，及数字微镜装置(DMD)1350。为了说明简单起见，未示出其他组件，例如图像生成组件。菲涅耳透镜还可以包括凸缘1370、漫射体1380，和/或漫射层1390。
凸缘1370通过在多个不同的方向上散射散射光来帮助减少散射光可见性。在某些实施例中，凸缘1370附着到菲涅耳透镜1310的输出面上。在可选实施例中，凸缘1370在菲涅耳透镜1310的表面上形成(如，与菲涅耳透镜成一体)。在这样的实施例中，凸缘1370可以通过固化处理(如，紫外线(UV)固化处理)形成。固化处理，包括UV固化处理，在现有技术中是已知的。在又一个可选实施例中，凸缘1370可以通过打磨菲涅耳透镜1310的表面(如，打磨菲涅耳透镜1310的输出表面)形成。
凸缘1370通常由半透明的材料，如塑料或玻璃构成。在某些实施例中，凸缘由和菲涅耳透镜1310相同的材料构成。在可选实施例中，凸缘1370由与用于构成菲涅耳透镜1310的材料不同的材料构成。
在一个实施例中，凸缘1370是柱面凸缘。术语“柱面凸缘”广义上指具有凸柱面形状的凸缘。在可选实施例中，凸缘1370是规则地或随机分布在菲涅耳透镜1310的输出面上的二维隆起。在一个实施例中，至少一个凸缘1370(如，1370A)具有与另一个凸缘(如，1370B)不同的尺寸和/或形状。
菲涅耳透镜1310可以包括用于减少散射光的漫射体1380。漫射体1380通常由半透明材料，如塑料或玻璃构成。在本发明的一个实施例中，通过在形成菲涅耳透镜1310的材料处于液态时将珠子(如，白色珠和/或染色的珠)添加到该材料中来形成漫射体1380。在这样的实施例中，漫射体1380被称为与菲涅耳透镜1310“成一体”。
可以仔细地选择漫射体1380的光学质量，使得通过漫射体1380一次的光并不明显改变。相反，在多个方向上散射多次通过漫射体1380的光来降低它干扰超薄背投影显示设备1300的图像质量的可能性。
在本发明的一个实施例中，漫射层1390提供可选(和/或互补)的用于减少散射光的机制。漫射层1390的特性类似于漫射体1380。例如，漫射层1390通常由半透明材料构成，如此设计用于散射不止一次通过它的光。由于漫射层1390很薄并且紧贴图像表面，所以散射光被漫射而不显著降低所显示图像的锐度。
在一个实施例中，漫射层1390附着到菲涅耳透镜1310的输出表面。在可选实施例中，在固化处理(如，UV固化)中在菲涅耳透镜1310的表面上形成漫射层1390。在示例实施例中，漫射层1390约为0.8毫米厚(+/-10％)。在可选实施例中，漫射层1390可以比0.8毫米更薄或更厚，且可以具有不同的容限(如，+/-3％、+/-5％、+/-12％、+/-15％等)。
在一个实施例中，菲涅耳透镜1310包括漫射体1380、漫射层1390和凸缘1370中的一个。在可选实施例中，菲涅耳透镜1310包括漫射体1380、漫射层1390和/或凸缘1370的组合。菲涅耳透镜1310可以包括漫射体1380、漫射层1390和/或凸缘1370的任何组合。
图14示出散射光而不是一致地反射光的示例凸缘1410。光线1420、1430和1440基本上彼此平行并碰撞凸缘1410。如果光线1420、1430和1440碰撞平坦的表面，则它们可能相对于彼此被一致反射，且因此更可能产生散射图像。然而，由于凸缘1410的表面是弯曲的，所以每根光线相对于凸缘1410都具有不同的入射角。因此，凸缘1410散射光线1420、1430和1440。光线1450、1460和1470示出了凸缘1410的散射效应。
图15示出漫射光的示例漫射层1510，否则可能形成散射图像。光线1520碰撞菲涅耳透镜1530。光线1520通过漫射层1510传播且被轻微地漫射成光线1540、1542和1544。来自光线1540、1542和1544的光可以经菲涅耳透镜1530的平坦输出表面反射。
光线1550是经菲涅耳透镜1530的平坦输出表面反射的示例光线。光线1550通过漫射层1510传播且被漫射成光线1560、1562和1564。如果光线1560、1562和1564返回菲涅耳透镜1530，则它们会被分得很开且将不会形成可见的散射图像。
示例菲涅耳等式图16根据本发明的实施例示出齿面角(γ)和输出光线角(β)之间的关系。如图16所示，输入光1610以输入光线角theta(θ)到达菲涅耳透镜1600。菲涅耳透镜1600的所示区的槽角由角lambda(λ)示出。如上结合图6a至图8所述，菲涅耳透镜1600可以包括不止一个区且每个区都可以具有不同的槽角。菲涅耳透镜1600的各区可以由到菲涅耳透镜中心(如，菲涅耳透镜600的中心，如图6a所示)的距离(R)定义。表1提供用于本发明的所述实施例的区等式。区等式用折射角、输出光线角(β)及槽角(λ)来表示齿面角(γ)。
表1

等式2描述了输出光线角(β)在本发明的实施例中如何随径向距离R变化。等式2表示为仿样等式。仿样等式对具有本领域普通技术水平的人来说是众所周知的。
等式2.
β=β1+Σk=14Δk[{1+(1+R-R0R5-R0-Rk-R0R5-R0)m}1m-1]]]>其中Δ1=β2-β1R2-R0R5-R0-R1-R0R5-R0]]>且Δk=βk+1-βkRk+1-R0R5-R0-Rk-R0R5-R0-βk-βk-1Rk-R0R5-R0-Rk-1-R0R5-R0.]]>表2提供本发明的示例实施例中等式2的系数，其中m为16而R0为230毫米。
表2

图17提供根据本发明的实施例作为到菲涅耳透镜中心的径向距离(R)的函数而变化的齿面角(γ)和输出光线角(β)的示例图表。如图17所示，齿面角(γ)在接近菲涅耳透镜中心的区域中是非零的，并随着到菲涅耳透镜中心的径向距离增加而接近零。相反，输出光线角(β)对小的径向距离R值几乎为零，并随着R的值增加而增加。因此，在所示实施例中，输出光线角(β)对于对应菲涅耳透镜中心的R值基本上接近于零(如，+/-10°)，而对于对应菲涅耳透镜角落的R值增加。在可选实施例中，齿面角(γ)、输出光线角(β)和到菲涅耳透镜中心的径向距离(R)之间的关系可以不同于图17中所示。
屏幕对角线长度和菲涅耳透镜焦距之间的关系图18是屏幕1800，如菲涅耳屏幕的正视图。参考标号1810示出屏幕1800的屏幕对角线。屏幕对角线指从屏幕1800的一个角落到相对的该屏幕上的角落之间的距离。在一个实施例中，屏幕对角线可以是屏幕1800的可视部分的对角线长度。在可选的实施例中，屏幕对角线可以是屏幕1800的实际尺寸的对角线长度。
参考标号1820和1830分别示出屏幕1800的宽度和高度。宽度1820与高度1830之比定义屏幕1800的纵横比。在一个实施例中，屏幕1800的纵横比是16∶9。在可选的实施例中，屏幕1800的纵横比是4∶3。屏幕1800可以具有16∶9和4∶3之外的纵横比。
图19示出背投影显示设备1900。背投影显示设备1900包括广角透镜系统1910和屏幕1920。在一个实施例中，屏幕1920是菲涅耳透镜。焦距1930表示菲涅耳透镜1920的焦距。术语“焦距”指从菲涅耳透镜1920的光心到焦点1940的距离。术语“焦点”指碰撞光线汇聚到公共点或聚焦处的那一点。像差光线也可能形成焦点。术语“最小模糊圈”指由像差光线形成的焦点。焦点通常位于接近投影透镜光孔(如，广角透镜系统1910的投影透镜光孔)处。
焦距1930可用于表示背投影显示设备1900的厚度。例如，背投影显示设备1900的厚度可以由菲涅耳透镜1920的屏幕对角线与焦距1930之比表示。在屏幕对角线为60英寸的实施例中，屏幕对角线与焦距1930之比约为3.0。在屏幕对角线为70英寸的本发明的可选实施例中，屏幕对角线与菲涅耳焦距之比约为4.1。
可选的菲涅耳透镜配置可以使用菲涅耳透镜、漫射层、凸缘等各种配置来减少散射光。图20，类似于图12，示意性地示出可能在指引图像光通过菲涅耳透镜2000时发生的散射光的产生。具体来说，在图20中，可以沿着光路径2020指引图像光线2010来产生所需图像(也称为主图像)。然而，不需要的光，如散射光或散射光线2030可能在产生所需图像的期间生成)。散射光线可能产生可见的人工效应，这在观看图像时是不希望看到的。例如，可能存在幻象、光斑，及与所需图像像素有间距并影响该像素和周围像素的清晰度的其他散射光。
有很多原因会造成这样的散射光。例如，散射光线2030可能由菲涅耳透镜2000中的槽面的表面反射造成(在2050处示出)。这样的槽面反射会由于在靠近所需像素处产生额外的光而导致图像发散。
也可能产生其他散射光。这类散射光可以由槽表面的反射生成(再次如2050所示)。某些散射光可以经各个槽和槽表面进行一次或多次附加的表面反射。在某些情况下，光可能经前表面2060进行全内反射(TIR)，然后由菲涅耳透镜中更多的槽表面进行附加的表面反射。
图21示意性地示出可能导致产生幻象的散射光路径。如图20所示，图像光线2010及其相应的光路径2020是配置为产生所需图像的主图像光的示例。散射光线2070和2080示意性地示出可能产生幻象的光线。幻象会在光高出或低出所需图像处出现。例如，幻象会在光高出或低出预期像素三个或四个像素处出现。这些幻象会产生可见的人工效应，如像素或图像的移位复型。像其他散射光线那样，幻象光线可能沿着菲涅耳透镜结构中的槽由内反射和表面反射造成。
应理解，在图20和21中所示的光路径仅用于说明目的，且光路径(散射和主图像光路径两者)可以变化而不偏离本发明的范围。
图22示出一种用于降低由菲涅耳透镜生成的散射光可见性的方法。如图22所示，可以配置菲涅耳透镜，使得会产生散射图像的大部分光被散射掉。例如，在图22中，修正菲涅耳透镜使得菲涅耳透镜的谷被修平，如2200所示。为论述目的，在2210处以虚线示出初始配置的谷。在该新配置中，谷包括谷底2220。如在本文中所用，谷底包括两个槽之间的交集的任何修平和/或整平部分。初始的峰谷配置(如图20和21)并不被视为具有谷底。
修平谷以产生谷底可用于去除部分先前反射散射光线的槽表面。通常，主图像2010遵循使用菲涅耳槽峰的光路径2020。相反，散射光线使用槽谷部分，如通过表面反射，来产生幻象、光斑等。通过减小反射散射光线的表面，有可能降低集中的散射光的量。换句话说，散射光通常遵循使用谷的散射光路径。通过去除菲涅耳透镜中的谷，可以打断散射光路径并散射散射光光线。
应理解，使用平谷菲涅耳透镜可能沿着新的散射光路径产生散射光。然而，这些光中的很多被谷底2220散射掉。例如，散射光线2230在2240经槽面进行表面反射。散射光线2230然后被指向谷底。谷底导致散射光2230的散射2250。散射效应减小了散射光线的可见效应。
在某些实施例中，图22所示的菲涅耳透镜配置可以视为包括配置为接收图像光线的具有第一表面的单元，其中图像光线可以配置为碰撞第一表面的顶端部分。第二表面可以面对第一表面并通过第三表面或谷底链接到第一表面的顶端部分。第三表面可以配置为散射从第一表面反射的散射光。应理解，平谷可以是平滑的(没有漫射体)且仍然具有某些效应。然而，在某些实施例中，平谷可以是粗糙的，这样它可以散射附加的光。因此，在某些实施例中，谷底可被视为散射底。
在某些实施例中，菲涅耳透镜可以基本上位于某个平面内，而谷底延伸基本上平行于菲涅耳透镜的平面，这样谷底是平坦的。虽然所公开的谷底是平坦的，但应理解，在某些实施例中，谷底可以包括如脊、凸缘、隆起和/或凹陷这样的表面形貌。脊或凸缘可用于增加散射光线的散射效应。此外，在某些实施例中，谷底可以向上和/或向下倾斜。在其他实施例中，可以黑化谷底或使其有纹理以便吸收散射光和/或基本上分散散射光。
通过使用图22所示的平谷配置，图20和21中所示散射光线中的很多都可以基本上消除或极大地减少。具体来说，平谷配置可以通过对光进行散射来更改散射光模式和/或减弱散射光线的亮度。
图23-26提供菲涅耳屏幕上选择像素的光模式亮度示例阴影的简化轮廓图。虽然可以产生示出光模式的相对亮度的轮廓图，但为本说明书的目的，在图23-26中仅需要示出光的相对位置。
图23示出具有初始峰谷配置的菲涅耳屏幕的上部像素。图23的左边是包括主图像光和任何散射光的全光图。主图像在2310处示出，然而其他光(散射光)如2320也是可见的。这样的散射光会影响该像素处的图像质量。
散射光模式在图23右边的图2330中更加明显，在此处主图像光已被去除。应注意，某些散射光(如散射光2320)的亮度在图像产生期间很强，给观看者带来不需要的视觉效果。
图24示出图23中所示的同一上部像素，但是使用平谷菲涅耳透镜配置。如图23那样，图24的左边是全光图(主图像光和散射光)，而图24的右边是仅散射光图。比较图23和24的全光图，可以发现位于图像像素附近的可见散射光的量有显著的区别。此外，图24中的仅散射光图示出，光被更加宽泛地散射(如2420所示)且因此对观看者来说较不显眼。对散射光的散射越多，散射光对可见图像的任何效应也就越弱。
图25和26进一步示出平谷配置优于初始峰谷配置的效应。具体来说，图25和26示出了位于屏幕中间的像素。如图25所示，主图像2510可以由其他较亮的光点包围，如幻象2520。
图26示出平谷配置对幻象的减弱效应。具体来说，全光图像示出相当大量的光位于所需的图像点上。幻象光已被显著减少。具体来说，图25中所示的幻象约为像素峰值亮度的1.0％。图26中的幻象仅为像素峰值亮度的0.3％。亮度的显著减少使得幻象对观看者的可见性达到最小化。
应注意，图26中的仅散射光图进一步示出了对散射光的散射。散射光散射越多，散射光对所需的图像产生的效应就越小。因此，虽然某些散射光线可以遵循和在初始峰谷配置中所发生的路径相同或近似的路径，但沿这样的路径传播的光量可以在平谷配置中大量减少，从而最小化散射光线对所显示图像的效应。
图27更详细地示出平谷配置。虽然很多适合的方法都可用于确定所需谷底深度，但下文中描述一种示例方法。应理解，可以使用其他方法来确定谷底深度。此外，谷底深度可以取决于主图像光的输入角而在谷与谷之间变化。
如图27所示，菲涅耳透镜可以包括成角的第一斜面以用于接收输入光(如2710所示的光)。第二斜面可以面对第一斜面。谷底可以连接第一斜面与第二斜面。如上所述，谷底可以配置为散射从第一斜面反射的散射光。
第一斜面、第二斜面和谷底的组合创建出光输入单元。多个光输入单元可以连接在一起来形成图22中所示的配置。在某些实施例中，相邻的光输入单元可以在彼此之间变化。例如，谷底深度可以在光输入单元之间或在光输入单元的区之间变化。此外，在某些实施例中，光输入单元可以散布在包括直接与第二斜面汇聚的第一斜面的单元之间。
为了示例方法的目的，可以使用输入光线，如光线2710来确定有效光线深度，如2720所示。有效光线深度可以相对于输入光线角变化。在所示实施例中，光线深度可用于确定2730处的谷底深度。应理解，可以使用其他适合的方法来确定谷底深度。在示例性附图中，深度比可以按如下计算深度比＝有效光线深度/槽深度。
简单来说，在某些实施例中，谷底深度可以基于有效输入光线角。有效输入光线角可以是其中经指引通过第一斜面的图像光线被配置为在所需像素处生成图像的角，如输入光线2710所示。
图28示出深度比(如上所述)和到菲涅耳透镜中心的径向距离(R)之间的关系的示例图表。R可以视为是菲涅耳半径。如图所示，随着到菲涅耳透镜中心的径向距离增加，深度比减小。应理解，修平谷底对小的径向距离值可能是无效的，因为光会错过这些小值的TIR表面，因此，任何谷修平都有可能不带来任何显著的改进。在深度比大于1.0时，光可能错过TIR表面，这会导致光的损失。
图29进一步提供了菲涅耳透镜配置的光线(在2910处)、深度(在2920处)和模(在2930处)作为与斜度之比作为到菲涅耳透镜中心的径向距离(R)的函数的关系的示例图表。在所示实施例中，光线2910等于有效光线深度/斜度，并随着径向距离增加而减少。深度2920(初始谷深度/斜度)只可以轻微地减小，随着径向距离增加保持相对恒定。模2930(平谷底深度/斜度)也将随着径向距离增加而减小。应理解，深度比和径向距离之间的关系，以及光线、深度和模与径向距离之间的关系可以在可选的实施例中不同，且在此提供的说明仅为说明性目的提供。
平谷配置可以和配置为减少和/或漫射散射光的漫射体或其他结构组合使用。因此，应理解，在整个公开内容中的各实施例可以完整或部分地与平谷配置组合。
在说明书中提及“一个实施例”或“实施例”的是指描述的与该实施例有关的特定特征、结构，或特性包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中各处的出现不一定全部都指同一实施例。
在上述说明书中，已参考其具体实施例对本发明进行了描述。然而，显然可以对其做出各种修改和改变而不偏离本发明更广泛的精神和范围。因此，说明书及附图应被视为具有说明性的而非限制性的意义。
权利要求
1.一种用于显示设备的菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜包括成角的第一斜面以用于接收输入光；面对所述第一斜面的第二斜面；及连接所述第一斜面与第二斜面的第三表面，其中所述第三表面配置为散射从所述第一斜面反射的散射光。
2.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述第三表面基本上是平坦的。
3.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述菲涅耳透镜基本上在一个平面内，且所述第三表面基本上平行于所述菲涅耳透镜的平面。
4.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述第三表面是黑化的表面。
5.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述谷底包括用于散射散射光的可变表面形貌。
6.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述谷底具有相对于所述第一斜面的深度，且基于有效输入光线角配置所述谷底深度。
7.如权利要求6所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述有效输入光线角是在该角经指引通过所述第一斜面的图像光线配置为在所需像素处生成图像的角。
8.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述谷底具有相对于所述第一斜面的深度，且所述谷底深度相对于到所述菲涅耳透镜的中心的径向距离而变化。
9.如权利要求1所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述第一斜面、第二斜面及谷底创建出光输入单元，且其中所述菲涅耳透镜包括多个基本上相似的光输入单元。
10.如权利要求9所述的菲涅耳透镜，其特征在于，所述谷底对不同的光输入单元具有不同的相对于所述第一斜面的深度。
11.一种显示设备，包括菲涅耳透镜，具有成角的第一斜面以用于接收输入光并与第二斜面由谷底隔开；透镜系统，用于投影图像；基本上平面的背板反射镜，用于将所述图像反射到所述菲涅耳透镜，所述背板反射镜基本上平行于所述菲涅耳透镜；及基本上平面的中间反射镜，用于将所述透镜系统投影的图像反射到所述背板反射镜，所述中间反射镜基本上平行于所述背板反射镜，其中所述中间反射镜基本上垂直于所述透镜系统的光轴。
12.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述菲涅耳透镜在一个平面中，且所述谷底基本上平行于所述菲涅耳透镜的平面。
13.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述谷底是黑化的谷底。
14.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述谷底包括用于散射散射光的可变表面形貌。
15.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述谷底具有相对于所述第一斜面的深度，且基于有效输入光线角配置所述谷底深度。
16.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述第一斜面、第二斜面及谷底创建出光输入单元，且其中所述菲涅耳透镜包括多个基本上相似的光输入单元。
17.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述谷底对不同的光输入单元具有不同的相对于所述第一斜面的深度。
18.如权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述菲涅耳透镜包括用于漫射通过所述菲涅耳透镜的散射光的漫射体。
19.一种显示设备，包括菲涅耳透镜用于显示图像，所述菲涅耳透镜包括用于散射散射光的装置；透镜系统用于投影所述图像；基本上平面的背板反射镜，用于将所述图像反射到所述菲涅耳透镜，所述背板反射镜基本上平行于所述菲涅耳透镜；及基本上平面的中间反射镜，用于将所述透镜系统投影的图像反射到所述背板反射镜，所述中间反射镜基本上平行于所述背板反射镜，其中所述中间反射镜基本上垂直于所述透镜系统的光轴。
20.一种用于显示设备的菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜包括配置为接收图像光线的第一表面，所述图像光线配置为碰撞所述第一表面的顶端部分；面对所述第一表面的第二表面；及配置为散射从所述第一表面反射的散射光的散射表面，其中所述散射表面将所述第一表面的顶端部分连接到所述第二表面。
全文摘要
提供一种用于显示设备的菲涅耳透镜。该菲涅耳透镜包括成角以用于接收输入光的第一斜面，面对第一斜面的第二斜面，及连接第一斜面与第二斜面的谷底。该谷底可以配置为散射从第一斜面反射的散射光。
文档编号G03B21/06GK1926468SQ200580006576
公开日2007年3月7日 申请日期2005年1月5日 优先权日2004年1月6日
发明者马克·D·彼得森, 杰弗里·A·高曼 申请人:富可视公司