专利名称：菲涅耳透镜片、透射型屏幕和背投型显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于透射型屏幕等的菲涅耳透镜片、用于背投型显示装置等的透射型屏幕和背投型显示装置。
背景技术：
背投型显示装置作为一种大屏幕图像显示装置已经广泛被传播。在背投型显示装置中，从图像光源诸如CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示器)元件或DLP(数字光处理)元件出射的图像光被投影反射镜(projectionmirror)反射和扩展，并从背面投影到透射型屏幕上，从而观众从本领域众所周知的透射型屏幕的正面侧观看投影的图像。
在背投型显示装置中，为了减小光学系统的尺寸，即，缩短光路的长度，从投影反射镜到透射型屏幕的光的入射角通常设定得不合理。所以，在透射型屏幕上设置菲涅耳透镜片，用于将来自投影反射镜的图像光转换成平行光，或者换言之，用于将图像光转换成垂直指向屏幕平面的光。
菲涅耳透镜片分为折射型菲涅耳透镜片和反射型菲涅耳透镜片。折射型菲涅耳透镜片如图10所示。参照图10，菲涅耳透镜片包括具有出射面的衬底50，具有三角形横截面的棱镜(微棱镜)51排列在其上。菲涅耳透镜片通过在棱镜51的折射面51a折射入射光L1而改变入射光L1的传播方向。
反射型菲涅耳透镜片如图11所示。参照图11，菲涅耳透镜片包括具有入射面的衬底50，具有三角形横截面的棱镜(微棱镜)52排列在其上。菲涅耳透镜片在棱镜52的折射面52a折射入射光L1，并在棱镜52的反射面52b、朝菲涅耳透镜片的出射面50a侧反射所折射的光，以改变光的传播方向。从反射面52b反射的光透过平行于出射面50a延伸的棱镜52的第三面52c，并且从衬底50的出射面50a出射。
顺便提及，背投型显示装置的图像质量下降的原因之一是菲涅耳透镜片中出现的杂散光。这是部分图像光在图像光原先不应该反射的位置被反射、然后分别在菲涅耳透镜片中或被菲涅耳透镜片反射或折射的现象。如果杂散光朝观众侧出射，那么图像看起来是双重或三重。
在相关技术中，已经提出通过反射型菲涅耳透镜片抑制杂散光的出现的各种技术。这种技术之一例如公开在日本专利公开文件No.2004-212770中(涉及段落0031至0045，附图1至8)(在下文中称为专利文献1)，其中每个棱镜的谷底部分形成特征形状，从而被棱镜折射面折射的光或被棱镜反射面反射并到达谷底部分的光不可能形成杂散光。
顺便提及，当图像光进入菲涅耳透镜片或从菲涅耳透镜片出射时，部分图像光被菲涅耳透镜片反射，并且反射的光也可能形成杂散光。
图12图示这样一种方式，其中当图像光进入如图11所示的反射型菲涅耳透镜片时，产生杂散光。在图12中，入射到反射型菲涅耳透镜片的图像光L1的部分L3被每个棱镜52的折射面52a反射。在反射的光L3被棱镜52的折射面52a反射后，其进入相邻棱镜52，并继续被棱镜52的反射面52b和折射面52a折射，以形成杂散光。此后，反射的光L3又进入相邻棱镜52，并且被棱镜52的折射面52a反射，然后，其从出射面50a出去。
图13图示这样一种方式，当图像光从图11所示的反射型菲涅耳透镜片出射时，产生杂散光。参照图13，入射到反射型菲涅耳透镜片的图像光L1分别被每个棱镜52的折射面52a折射和反射面52b反射，并且到达衬底50的出射面50a。但是，到达出射面50a的图像光的部分L4被出射面50a反射，并且返回到原棱镜52。然后，返回的光L4被原棱镜52的反射面52b反射，并进入相邻棱镜52。然后，光L4继续被相邻棱镜52的反射面52b和折射面52a折射，以形成杂散光。此后，光L4又进入相邻棱镜52，并且被棱镜52的折射面52a反射，然后，它从出射面50a出射。
但是，在专利文献1中公开的技术用于抑制进入反射型菲涅耳透镜片的光(被棱镜的折射面折射的光)形成杂散光。但是，专利文献1的技术不能抑制进入其中被反射的图像光(被棱镜的折射面反射的图像光)形成杂散光，如参照图12的上文所述。
此外，在专利文献1中公开的技术用于抑制到达棱镜谷底部分的光形成杂散光。但是，专利文献1的技术不能抑制在其从反射型菲涅耳透镜片出射时反射的图像光(返回光)，在除了谷底部分之外的棱镜部分被反射或折射，以形成杂散光，如参照图13的上文所述。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供这样一种背投型显示装置，其中抑制进入在透射型屏幕上设置的反射型菲涅耳透镜片时反射的图像光形成杂散光。本发明要解决的另一个技术问题是提供这样一种背投型显示装置，其中抑制从在透射型屏幕设置上的反射型菲涅耳透镜片出射时反射的图像光形成杂散光。
为了达到上述目的，根据本发明的实施例，提供一种菲涅透镜片，用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光，其包括具有光入射面和光出射面的衬底，和排列在衬底光入射面侧的多个棱镜，每个棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于从折射面朝衬底的光出射面侧反射所折射光的反射面、和用于透过从反射面反射的光的第三面，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
菲涅耳透镜片形成这样的菲涅耳透镜片，其中各每个具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光入射面侧折射的光的反射面、和用于透过从反射面反射的光的第三面的棱镜排列在衬底的光入射面侧，即，形成反射型菲涅耳透镜片。
菲涅耳透镜片用于将以预定角度范围的入射角进入的入射光转换成平行光。另外，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线夹角小于在每个这种棱镜位置的光的入射角。
在折射面的垂线具有上述夹角的每个棱镜中，被折射面反射的光的夹角(即，光与出射面的垂线的夹角)等于或小于入射角。换言之，在折射面反射的光的传播方向与入射光的方向相同，或者是反射光离开相邻棱镜的量大于入射光的量的方向。
因此，当在参照图12的上述反射型菲涅耳透镜片的情况下，排除反射的光进入相邻棱镜的这种情形。因此，当图像光进入反射型菲涅耳透镜片时所反射的图像光，可以被抑制形成杂散光。
菲涅耳透镜片的优点在于，可以抑制进入反射型菲涅耳透镜片时反射的光形成杂散光。
优选地，菲涅耳透镜片这样构成，例如，每个棱镜的反射面与出射面的垂线的夹角小于折射的光与出射面的垂线的夹角的1/2。
在反射面具有上述这种夹角的每个棱镜中，被反射面反射并到达出射面的图像光被出射面反射并返回到原棱镜的那部分(返回光)，返回到与反射面原始反射位置相同的位置或返回到从反射面的原始反射位置位移到棱镜极端的位置。因此，在返回光被折射面折射后，它沿与入射到菲涅耳透镜片的相同光路传播，或在离开相邻棱镜位置的量大于它进入菲涅耳透镜片量的位置传播。
因此，当在参照图13的上述反射型菲涅耳透镜片的情况下，排除返回光进入相邻棱镜的这种情形。因此，当光从菲涅耳透镜片出射时所反射的光，被抑制形成杂散光。
菲涅耳透镜片的优点在于，可以抑制从反射型菲涅耳透镜片出射时反射的光形成杂散光。
根据本发明的另一实施例，提供一种菲涅耳透镜片，用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光，其包括具有光入射面和光出射面的衬底，和排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光出射面侧所折射的光的反射面、用于透过从反射面反射的光的第三面、和位于折射面和第三面之间的第四面，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
在菲涅耳透镜片中，每个具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光出射面侧折射的光的反射面、用于透过从反射面反射的光的第三面、和位于折射面和第三面之间的第四面的棱镜排列在衬底的光入射面侧。因此，菲涅耳透镜片形成反射型菲涅耳透镜片。但是，每个棱镜不具有三角形的横截面，而是具有四边形的横截面。
菲涅耳透镜片用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光。另外，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个这种棱镜位置的光的入射角。
在折射面的垂线具有上述夹角的每个棱镜中，被折射面所反射的光的夹角(即，光与出射面垂线的夹角)等于或小于入射角。换言之，在折射面反射的光的传播方向与入射光的传播方向相同，或者是反射的光离开相邻棱镜的量大于入射光的量的方向。
因此，当在参照图12的上述反射型菲涅耳透镜片的情况下，排除反射的光进入相邻棱镜的这种情形。因此，当图像光进入菲涅耳透镜片时所反射的图像光，可以被抑制形成杂散光。
另外，在菲涅耳透镜片中，第四面设置在每个棱镜的折射面和第三面(透射面)之间。可以以下述(1)至(5)的方式利用第四面。
(1)如果改变第四面的长度和/或角度，那么不考虑相邻棱镜之间的间距或棱镜的顶角，可以任意调整每个棱镜的折射面或反射面与出射面的夹角。换言之，利用第四面作为调整棱镜形状的面，折射面或反射面的设计自由度得到提高。
因此，在光的入射角很小的情况下，有可能用对应关系设定将射面的夹角，从而可以抑制在进入菲涅耳透镜片时反射的光形成杂散光。
另外，不考虑相邻棱镜之间的间距或棱镜的顶角，可以任意调整反射面的夹角，以任意调整从菲涅耳透镜片出射的光的传播方向。
(2)如果改变第四面的长度和/或角度，那么不改变折射面或反射面的夹角，可以任意设定相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度。
(3)通常，在反射型菲涅耳透镜片中，当光的入射角很小时，如果整个片是在倾斜状态或棱镜的整个透镜面是在倾斜状态，那么在入射光被棱镜的折射面折射后，当它由于在生产棱镜时的尺寸误差或在衬底上的棱镜安装误差的原因没有到达反射面时，它有时透过棱镜。如果通过调整相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度，使实际用于反射的反射面的区域变窄，可以防止光透过棱镜。但是，当棱镜具有三角形横截面形状时，因为设计自由度很低，这种间距或高度的调整不容易。相反，用目前的菲涅耳透镜片，因为存在第四面，设计的自由度得到提高，并且可以设计具有更大容限(margin)的菲涅耳透镜片，因而可以防止上述光的透过。
(4)因为可以设定第四面的夹角，从而棱镜具有任意的设计角，便于形成棱镜的金属模的生产，也便于棱镜从金属模中脱模。
(5)当加工用于模制棱镜的金属模时，经常出现金属模的尖端部被弄弯或弯曲的问题。具有利用上述金属模模制的棱镜的菲涅耳透镜片存在这样的问题，因为棱镜的部分反射面的角度偏转，即，因为由反射面和第三面限定的顶点变形，因而反射光形成杂散光，或光线被弄乱，从而产生在图像上形成的线，导致图像质量的下降。如果调整相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度，以使实际用于从反射面内反射的区域变窄，从而不用角度偏转的区域，那么即使在顶点稍微变形的情况下，不会对反射光有影响。因此，可以防止这种杂散光或上述在图像上的线的出现。但是，上述这种调整用具有三角形横截面的棱镜不容易，因为设计自由度很低。相反，用目前的菲涅耳透镜片，因为第四面的存在提高设计自由度，并且使它有可能设计具有更大容限的菲涅耳透镜片，即使金属模的表面光洁度不是非常高，它可以容易防止这种杂散光或上述在图像上的线的出现，从而防止图像质量的下降。
菲涅耳透镜片的优点在于，同样在图像光入射到反射型菲涅耳透镜片的入射角很小的情况下，可以抑制在图像光进入时所反射的光形成杂散光，并且不考虑相邻棱镜之间的间距或棱镜的顶角，可以任意调整从菲涅耳透镜片出射的光的传播方向。菲涅耳透镜的优点还在于，不改变每个棱镜的折射面或反射面的夹角，可以任意设定相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度，并且当整个片在倾斜状态或整个棱镜在倾斜状态时，容易防止光透过棱镜。菲涅耳透镜片的优点还在于，棱镜可以具有任意设计角，即使用于形成棱镜的金属模的表面光洁度不是很高，可以易于防止这种杂散光或图像上的线的出现，从而防止图像质量的下降。
优选地，菲涅耳透镜片这样构成，例如，每个棱镜的反射面与出射面的垂线的夹角小于折射的光与出射面的垂线的夹角的1/2。
在反射面具有上述这种夹角的每个棱镜中，由反射面反射并到达出射面的图像光的被出射面反射并返回到原棱镜的那部分(返回光)，返回到与反射面原始反射位置相同的位置或返回到从反射面的原始反射位置位移到棱镜极端的位置。因此，在返回光被折射面折射后，它沿与入射到菲涅耳透镜片的相同光路传播，或在离开相邻棱镜位置的量大于它进入菲涅耳透镜片量的位置传播。
因此，当在参照图13的上述范围内的菲涅耳透镜片的情况下，排除返回光进入相邻棱镜的这种情形。因此，当光从菲涅耳透镜片出射时所反射的光被抑制形成杂散光。
菲涅耳透镜片的优点在于，可以抑制从反射型菲涅耳透镜片出射时反射的光形成杂散光。
根据本发明的又一实施例，提供一种透射型屏幕，其包括用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光的菲涅耳透镜片，菲涅耳透镜片包括具有光入射面和光出射面的衬底，和排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光出射面侧所折射的光的反射面、和用于透过从反射面反射的光的第三面，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
透射型屏幕包括上述第一记载的实施例的菲涅耳透镜片，其作为反射型菲涅耳透镜片。因此，用透射型屏幕，当光进入反射型透镜片时所反射的光可以被抑制形成杂散光。
透射型屏幕的优点在于，可以抑制进入在此提供的反射型菲涅耳透镜片时反射的光形成杂散光。
优选地，透射型屏幕这样构成，例如，每个棱镜的反射面与出射面的垂线的夹角小于折射光与出射面的垂线的夹角的1/2。
透射型屏幕的优点在于，可以抑制从反射型菲涅耳透镜片出射时反射的光形成杂散光。
根据本发明又一实施例，提供一种透射型屏幕，包括用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光的菲涅耳透镜片，菲涅耳透镜片包括具有光入射面和光出射面的衬底，和排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光出射面侧所折射的光的反射面、用于透过从反射面反射的光的第三面、和位于折射面和第三面之间的第四面，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
透射型屏幕包括上述第二记载的实施例的菲涅耳透镜片，其作为反射型菲涅耳透镜片。因此，用透射型屏幕，当光进入反射型透镜片时所反射的光可以被抑制形成杂散光。另外，以上述(1)至(5)的方式，可以利用设置在菲涅耳透镜片每个棱镜的折射面和衬底的出射面之间的第四面。
透射型屏幕的优点在于，同样在图像光与其中设置的反射型菲涅耳透镜片的入射角很小的情况下，可以抑制在图像光进入菲涅耳透镜片时反射的光形成杂散光，并且不考虑菲涅耳透镜片相邻棱镜之间的间距或棱镜的顶角，可以任意调整从菲涅耳透镜片出射的光的传播方向。透射型屏幕的优点还在于，不改变菲涅耳透镜片每个棱镜的折射面或反射面的夹角。不改变折射面或反射面的夹角，可以任意设定相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度，并且当整个菲涅耳透镜片在倾斜状态或棱镜的整个透镜面在倾斜状态时，容易防止光透过棱镜。透射型屏幕的优点还在于，菲涅耳透镜片的棱镜可以具有任意设计角，即使用于形成棱镜的金属模的表面光洁度不是很高，也可以易于防止这种杂散光或图像上的线的出现，从而防止图像质量的下降。
优选地，透射型屏幕这样构成，例如，每个棱镜的反射面与出射面的垂线的夹角小于折射光与出射面的垂线的夹角的1/2。
透射型屏幕的优点在于，可以抑制从菲涅耳透镜片出射时反射的光形成杂散光。
根据本发明的又一实施例，提供一种背投型显示装置，其包括用于发射图像光的图像光源，和图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影的透射型屏幕，透射型屏幕包括用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光的菲涅耳透镜片，菲涅耳透镜片包括具有光入射面和光出射面的衬底，和排列在衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光出射面侧折射的光的反射面、和用于透过从反射面反射的光的第三面，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
背投型显示装置包括图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影的透射型屏幕，并且使用上述第三记载的实施例的透射型屏幕，作为透射型屏幕。因此，对于背投型显示装置，当光进入在透射型屏幕中设置的反射型菲涅耳透镜片时所反射的光可以被抑制形成杂散光。
背投型显示装置的优点在于，可以抑制在进入背投型显示装置的透射型屏幕的反射型菲涅耳透镜片时反射的图像光形成杂散光，其中图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影到透射型屏幕。
优选地，背投型显示装置这样构成，例如，每个棱镜的反射面与出射面的垂线的夹角小于折射的光与出射面的垂线的夹角的1/2。
背投型显示装置的优点在于，可以抑制从菲涅耳透镜片出射时反射的光形成杂散光。
根据本发明的又一实施例，提供一种背投型显示装置，其包括用于发射图像光的图像光源，和图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影的透射型屏幕，透射型屏幕包括用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光的菲涅耳透镜片，菲涅耳透镜片包括具有光入射面和光出射面的衬底，和排列在衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从折射面朝衬底的光出射面侧所折射的光的反射面、用于透过从反射面反射的光的第三面、和位于折射面和第三面之间的第四面，至少棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
背投型显示装置包括图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影的透射型屏幕，并且使用上述第三记载的实施例的透射型屏幕作为所述透射型屏幕。因此，对于背投型显示装置，当光进入在透射型屏幕中设置的反射型菲涅耳透镜片时所反射的光可以被抑制形成杂散光。另外，以上述(1)至(5)的方式，可以利用设置在菲涅耳透镜片每个棱镜的折射面和衬底的出射面之间的第四面。
背投型显示装置的优点在于，同样在光与在背投型显示装置中设置的透射型屏幕的入射角很小的情况下，其中图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影到透射型屏幕，可以抑制在图像光进入在透射型屏幕中设置的反射型菲涅耳透镜片时反射的图像光形成杂散光，并且不考虑菲涅耳透镜片相邻棱镜之间的间距或棱镜的顶角，可以任意调整从菲涅耳透镜片出射的光的传播方向。背投型显示装置的优点还在于，不改变菲涅耳透镜片每个棱镜的折射面或反射面的夹角，可以任意设定相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度，并且当整个菲涅耳透镜片在倾斜状态或棱镜的整个透镜面在倾斜状态时，容易防止光透过棱镜。背投型显示装置的优点还在于，菲涅耳透镜片的棱镜可以具有任意设计角，即使用于形成棱镜的金属模的表面光洁度不是很高，可以易于防止这种杂散光或图像上的线的出现，从而防止图像质量的下降。
优选地，背投型显示装置这样构成，例如，每个棱镜的反射面与出射面的垂线的夹角小于折射光与出射面的垂线的夹角的1/2。
背投型显示装置的优点在于，可以抑制从菲涅耳透镜片出射时反射的光形成杂散光。
结合附图，根据下列描述和权利要求，本发明的上述和其它目的、特征和优点将显而易见，图中相同部件和元件用相同的附图标记表示。
图1是表示应用本发明的背投型显示装置的光学系统普通结构示意图；图2是表示图1所示菲涅耳透镜片工作示例的横截面结构示意图；
图3是图示这样一种方式的示意图，其中当光进入图2的菲涅耳透镜片时，抑制杂散光的出现；图4是图示这样一种方式的示意图，其中当光从图2的菲涅耳透镜片出射时，抑制杂散光的出现；图5是表示图1所示菲涅耳透镜片的另一工作示例的横截面结构示意图；图6是图示这样一种方式的示意图，其中当光进入图5的菲涅耳透镜片时，抑制杂散光的出现；图7是图示这样一种方式的示意图，其中当光从图5的菲涅耳透镜片出射时，抑制杂散光的出现；图8是图示这样一种方式的示意图，其中利用图5的菲涅耳透镜的棱镜的第四面，设定折射面的角度；图9是表示图5的菲涅耳透镜片的改型形式的示意图，其中另外设置漫射层；图10是表示折射型通用菲涅耳透镜片的普通结构示意图；图11是表示反射型通用菲涅耳透镜片的普通结构示意图；图12是图示这样一种方式的示意图，其中当光进入图11的菲涅耳透镜片时，出现杂散光；图13是图示这样一种方式的示意图，其中当光从图11的菲涅耳透镜片出射时，出现杂散光；图14是图示由于金属模端部弯曲造成的棱镜反射面的角度偏离的示意图；图15是图示反射面的利用区变窄状态的示意图。
具体实施例方式
参照图1，示出应用本发明的背投型显示装置光学系统的普通结构。图像光源1例如由CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示)元件或DLP(数字光处理)元件形成，并且用来自图像信号处理系统(未示出)的图像数据驱动，以发射图像光。
从图像光源1发射的图像光被由多个透镜组合形成的投影透镜2扩张，并进入投影反射镜3。然后，图像光被投影反射镜3反射和扩张，并从后侧投影到透射型屏幕4上。然后，图像光从透射型屏幕4朝观众出射。
从投影反射镜3到透射型屏幕4的图像光的入射角在透射型屏幕4下端部显示其最小值θ3，并且具有朝透射型屏幕4的上端部侧增加的角度。然后，入射角在透射型屏幕4的上端部显示最大值θ3′。
这里，作为示例，假定入射角的最小值θ3和最大值θ3′分别61°和70°。换言之，图像光在61°至70°的角度范围内投影到透射型屏幕4上。应该指出，图1没有准确表示61°至70°的角度范围。
透射型屏幕4包括按从光入射面侧看时(即，从投影反射镜3这侧看时)的顺序设置的菲涅耳透镜片5和双凸透镜片6。菲涅耳透镜片5将来自投影反射镜3的图像光转换成平行光，即，转换成垂直于透射型屏幕4的平面的光。
双凸透镜片6通过在其上的透镜的折射作用，将被菲涅耳透镜片5转换成平行光的图像光偏转到水平方向或垂直方向，以便扩张角度视场。双凸透镜片6可以具有与现有普通的双凸透镜片相同的结构。
现在，描述图1所示的菲涅耳透镜片5的工作示例。图2示出根据该工作示例的菲涅耳透镜片5的横截面结构。菲涅耳透镜片5包括排列在可以由树脂材料或玻璃材料制成的衬底10的光入射面侧(图2中的左侧)的多个棱镜(微棱镜)11，从而形成反射型菲涅耳透镜片。每个棱镜11具有用于折射入射光的折射面11a，用于反射从折射面11a朝衬底10的出射面10a这侧折射的光的反射面11b，和用于透过从反射面11b反射的光、平行于出射面10a延伸的第三面11c。
每个棱镜11的折射面11a的垂线s2与衬底10的出射面10a的垂线s1的夹角θ1是60.5°。夹角θ1等于棱镜11的折射面11a与衬底10的出射面10a的夹角。因此，夹角θ1小于图1的透射型屏幕4的入射角范围θ3至θ3′(61°至70°)内的任何角度。应该指出，在图2中，为了便于图示，所示夹角θ1稍微小于60.5°。
每个棱镜的反射面11b关于出射面10a的夹角θ4是29°。另一方面，在图像光以最小入射角θ3＝61°进入的菲涅耳透镜片5部分，从折射面11a折射的光与出射面10a的垂线s1的夹角是60.8°。另外，在菲涅耳透镜片5的其它部分，折射的光的夹角θ5大于60.8°。因此，在菲涅耳透镜片5的所有位置，夹角θ4小于从折射面11a折射的光的夹角θ5的1/2。
图3图示这样一种方式，其中当图像光进入菲涅耳透镜片5时，抑制杂散光的出现。参照图3，图像光L1入射到菲涅耳透镜片5的部分L2被棱镜11的折射面11a反射。
但是，从折射面11a的夹角θ1和入射角度范围θ3至θ3′之间的关系，在折射面11a上所反射的光L2的夹角(即，与出射面10a的垂线s1的夹角)小于在菲涅耳透镜片5所有位置的图像光的入射角。换言之，与入射光L1相比，在折射面11a上的反射光L2的传播方向是反射光L2离开棱镜11更大量的方向。
因此，当在参照图12的上述反射型菲涅耳透镜片情况下，排除反射的光L2进入相邻棱镜11的这种情形。因此，当反射的图像光菲涅耳透镜片5时，它能被抑制形成杂散光。
图4图示这样一种方式，其中当图像光从菲涅耳透镜片5出射时，抑制杂散光的出现。对于菲涅耳透镜片5的图像光L1，分别被棱镜11的折射面11a和反射面11b折射和反射的图像光到达衬底10的出射面10a。但是，到达出射面10a的图像光部分L4被出射面10a反射，并返回到原棱镜11。
但是，从上述反射面11b的夹角θ4和折射光的夹角θ5之间的关系，在菲涅耳透镜片5的所有位置，返回原棱镜11的光L4返回到从反射面11b的原反射位置位移到棱镜11极端的位置。因此，在返回光线L4被折射面11a折射后，它在离开相邻棱镜11一定量的位置传播，该量比它进入菲涅耳透镜片5位置的间隔量更大。
因此，当在参照图13的上述范围内的菲涅耳透镜片的情况下，排除返回光线L4进入相邻棱镜11的这种情形。因此，当反射的光从菲涅耳透镜片5出射时，它被抑制形成杂散光。
现在，描述图1的菲涅耳透镜片5的另一工作示例。图5表示根据工作示例2的菲涅耳透镜片5的横截面结构。参照图5，菲涅耳透镜片5包括在衬底10的光入射面侧(图5的左侧)的多个棱镜(微棱镜)20，从而形成反射型菲涅耳透镜。
每个棱镜20具有用于折射入射光的折射面20a；用于反射从折射面20a朝衬底10的出射面10a这侧折射的光的反射面20b；用于透过从反射面11b反射的光、平行于出射面10a延伸的第三面20c；和位于折射面20a和第三面20c之间的第四面20d。换言之，每个棱镜20不具有三角形的横截面，而是四边形的横截面。
每个棱镜20的折射面20a的垂线s2与衬底10的出射面10a的垂线s1的夹角θ1等于折射面20a与出射面10a的夹角，等于60.5°。因此，夹角θ1小于图1的透射型屏幕4的入射角范围θ3至θ3′(61°至70°)内的任何角度。而且，在图5中，为了便于图示，所示夹角θ1稍微小于60.5°。
棱镜20的反射面20b关于出射面10a的夹角θ4是29°。另一方面，在图像光以最小入射角θ3＝61°进入的部分菲涅耳透镜片5处，从折射面20a所射的光与出射面10a的垂线s1的夹角是60.8°。另外，在菲涅耳透镜片5的任何其它位置，折射光的夹角θ5大于60.8°。因此，在菲涅耳透镜片5的所有位置，夹角θ4小于从折射面20a折射的光的夹角θ5的1/2。
图6图示这样一种方式，当图像光进入菲涅耳透镜片5时，抑制杂散光的出现。参照图6，入射到菲涅耳透镜片5的图像光L1部分L2被棱镜20的折射面20a反射。
但是，从折射面20a的夹角θ1和θ3至θ3′的入射角范围之间的关系，在折射面20a的反射光L2的夹角(即，出射面10a与垂线s1的夹角)小于图像光L1在菲涅耳透镜片5的所有位置的入射角。换言之，与入射光L1相比，在折射面20a的反射光L2的传播方向是反射光L2离开棱镜20更大量的方向。
因此，当在参照图12的上述菲涅耳透镜片的情况下，排除反射的光L2进入相邻棱镜20的这种情形。因此，当所反射的光进入菲涅耳透镜片5时，它能被抑制形成杂散光。
图7图示这样一种方式，其中当图像光从菲涅耳透镜片5出射时，抑制杂散光的出现。对于菲涅耳透镜片5的图像光L1，分别被棱镜20的折射面20a和反射面20b折射和反射的图像光到达衬底10的出射面10a。但是，到达出射面10a的图像光部分L4被出射面10a反射，并返回到原棱镜20。
但是，从上述反射面20b的夹角θ4和折射光的夹角θ5之间的关系，在菲涅耳透镜片5的所有位置，返回原棱镜20的光L4返回到从反射面20b的原反射位置朝棱镜20极端位移的位置。因此，在返回光L4被折射面20a折射后，它在离开相邻棱镜20一定量的位置传播，该量比它进入菲涅耳透镜片5位置的间隔量更大。
因此，当在参照图13的上述范围内的菲涅耳透镜片的情况下，排除返回光L4进入相邻棱镜20的这种情形。因此，当所反射的光从菲涅耳透镜片5出射时，它被抑制形成杂散光。
另外，在本发明的菲涅耳透镜片5中，第四面20d设置在每个棱镜的折射面20a和第三面20c之间。于是，在下述(1)至(5)中可以这样利用第四面20d。
(1)如果改变第四面20d的长度和/或角度，那么不考虑相邻棱镜20之间的间距或棱镜20的顶角，可以任意调整棱镜20的折射面20a或反射面20b与出射面10a的夹角。换言之，利用第四面20d作为调整棱镜20形状的面，折射面20a或反射面20b的设计自由度得到提高。
因此，在这种情况下，图像光与图1的透射型屏幕4的入射角很小，例如，在最小入射角θ3小于60°的情况下，可以将图5所示的折射面20a的夹角θ1设定为小于对应关系的最小角度θ3，从而抑制在进入菲涅耳透镜片5时反射的光形成杂散光。
图8图示这样一个示例，其中改变第四面20d的长度和/或角度，同时保持图5所示的相邻棱镜20之间的间距，以使折射面20a的夹角θ1小于45°的。在所示的示例中，即使图1所示的图像光与透射型屏幕4的最小入射角θ3大约为45°，在它进入菲涅耳透镜片5时，以与图6的示例十分相似的方式，反射的光被抑制形成杂散光。
另外，不考虑相邻棱镜20之间的间距或棱镜20的顶角，可以任意调整反射面20b的夹角，以任意调整从菲涅耳透镜片5出射的光的传播方向。
(2)如果改变第四面20d的长度和/或角度，那么不改变折射面20a或反射面20b的夹角，可以任意设定相邻棱镜20之间的间距或棱镜20的高度。
(3)通常，在反射型菲涅耳透镜片中，当光的入射角很小时，如果整个片是在倾斜状态或棱镜的整个透镜面是在倾斜状态，那么在入射光被棱镜的折射面折射后，当它由于在生产棱镜时的尺寸误差或在衬底上的棱镜安装误差的原因没有到达反射面时，它有时透过棱镜。如果通过调整相邻棱镜之间的间距或棱镜的高度，使实际用于反射的反射面区域变窄，可以防止光透过棱镜。但是，当棱镜具有三角形横截面形状时，因为设计自由度很低，这种间距或高度的调整不容易。相反，用上述的菲涅耳透镜片5，因为存在第四面20d，设计的自由度得到提高，并且可以设计具有更大容限的菲涅耳透镜片，因而可以防止上述光的透过。
(4)因为可以设定第四面20d的夹角，从而棱镜20具有任意的设计角，便于形成棱镜20的金属模的生产，也便于棱镜20从金属模中脱模。
(5)如图14所示，当加工用于模制棱镜的金属模60时，经常出现金属模60的尖端部60a被弄弯或弯曲的问题。具有利用上述金属模60模制的棱镜70的菲涅耳透镜片存在的问题在于，因为棱镜70的部分反射面70b的角度偏转，即，因为由反射面70b和第三面70c限定的顶点70d变形，反射光L2形成杂散光，或光线被弄乱，以产生在图像上形成的线，导致图像质量的下降。如图15所示，如果调整相邻棱镜70之间的间距P或棱镜70的高度H，以使实际用于从反射面70b内反射的区域70b1变窄，从而不用角度偏转的区域，那么即使在顶点稍微变形的情况下，不会对反射光L2有影响。因此，可以防止这种杂散光或上述在图像上的线的出现。但是，上述这种调整用具有三角形横截面的棱镜70不容易，因为设计自由度很低。相反，用菲涅耳透镜片5，因为第四面20d的存在提高设计自由度，并且使它有可能设计具有更大容限的菲涅耳透镜片，即使金属模的表面光洁度不是非常高，它可以容易防止这种杂散光或上述在图像上的线的出现，从而防止图像质量的下降。
应该指出，当在上述工作示例中时，从棱镜的反射面反射的光透过棱镜的第三面(透射面)，并且从菲涅耳透镜片5出射。但是，用于漫射透过棱镜第三面的图像光的漫射层可以设置在从菲涅耳透镜片5的棱镜朝出射面10a位移的位置。
图9示出这样一个示例，其中刚刚描述的这种漫射层21设置在根据图5所示工作示例的菲涅耳透镜片5的棱镜20和衬底10之间。通过在粘合剂的里面掺入折射率不同于粘合剂折射率的颗粒形成漫射层21。在设置漫射层21的位置，透过棱镜20第三面20c的图像光被漫射层21漫射，并且从菲涅耳透镜片5出射。因此，可以扩张图1的透射型屏幕4的角度视场。
另外，还因为当被衬底10出射面10a反射的光从衬底10出射时，它被漫射层21漫射，从反射的光中返回到棱镜的光量(返回光)减少。因此，当光从菲涅耳透镜片5出射时，还可以抑制部分反射的光形成杂散光。
另外，在图5所示的菲涅耳透镜片5的棱镜20的第四面20d上，通过在粘合剂的表面设置折射率等于粘合剂的折射率的颗粒，从而提供粘合剂表面的合适粗糙度，可以形成用于漫射入射光的抗眩光层，或者第四面20d本身的表面变粗糙可以起作用。因为入射到第四面20d的光被第四面20d漫射和反射，可以进一步抑制杂散光的出现。
另外，在上述工作示例中，设定每个棱镜的折射面与衬底10的出射面10a的夹角θ1小于图1的透射型屏幕4的入射角范围θ3至θ3′(61°至71°)内的任何角度。但是，每个棱镜的角度θ1可以另外设定为等于或大于最小入射角θ3、但等于或小于最大入射角θ3′的角度，例如，设定为65°或最大入射角θ3′。而且，在这种情况下，在图像光的入射角大于这个固定角度的菲涅耳透镜片5的位置，在图像光进入或出射时，杂散光的出现可以得到抑制，与上述参照图3和4或6和7的相似。
或者，每个棱镜的折射面的夹角θ1可以等于在入射角范围θ3至θ3′内的某一固定角度，例如，61°。而且，在折射面的夹角θ1等于光的入射角的位置，在折射面反射的光的传播方向与入射光的方向相同，从而反射的光不进入相邻棱镜。因此，同样在这种情况下，当图像光进入菲涅耳透镜片5时，杂散光的出现可以得到抑制。
另外，当在上述工作示例中时，设定菲涅耳透镜片5的每个棱镜的折射面的夹角θ1小于透射型屏幕4的入射角范围，折射面的夹角可以另外设定为小于或等于仅在某些棱镜的位置的光入射角。
另外，当在上述工作示例中时，设定每个棱镜的反射面的夹角θ4小于从棱镜折射面折射的光的夹角θ5的1/2。但是，反射面的夹角θ4可以另外设定为等于折射的光的夹角θ5的1/2。同样在这种情况下，从菲涅耳透镜片的出射面返回的光返回到与反射面的原反射位置相同的位置，并且在返回光被反射面折射后，它沿光进入菲涅耳透镜片时相同的光路传播。从而返回光不进入相邻棱镜。因此，当光从菲涅耳透镜片5出射时，杂散光的出现依然得到抑制。
另外，在上述工作示例中，设定反射面的夹角θ4小于在菲涅耳透镜片的每个棱镜折射的光的夹角θ5的1/2。但是，反射面的夹角θ4可以另外设定为小于或等于仅在某些棱镜反射的光的夹角θ5的1/2。
另外，在上述工作示例中，可以在衬底10的出射面10a上设置抗眩光层或AR层(抗反射涂层)。抗眩光层或AR层可以抑制在出射面10a侧的光的反射，杂散光可以得到抑制。
而且，在上述示例中，本发明应用于背投型显示装置。但是，根据本发明的菲涅耳透镜片或透射型屏幕也可以在除了背投型显示装置之外的设备中应用。
尽管利用特定术语描述了本发明的优选实施例，这种描述仅仅是为了解释，应该理解，不脱离下列权利要求的精神和范围，可以做出变化和变型。
本发明包括2004年11月5日在日本专利局提交的日本专利申请JP2004-322762涉及的主题，其整个内容在此引入作为参考。
权利要求
1.一种菲涅耳透镜片，用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光，其包括一衬底，其具有一光入射面和一光出射面；和多个棱镜，其排列在所述衬底的光入射面侧，每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从所述折射面朝所述衬底的光出射面侧折射的光的反射面、和用于透过从所述反射面反射的光的第三面；至少所述棱镜中的一些这样构成，即所述折射面的垂线与所述出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
2.如权利要求1所述的菲涅耳透镜片，其中每个棱镜的所述反射面与所述出射面的垂线的夹角小于折射光与所述出射面的垂线的夹角的1/2。
3.一种菲涅耳透镜片，用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光，其包括一衬底，其具有一光入射面和一光出射面；和多个棱镜，其排列在所述衬底的光入射面侧，每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从所述折射面朝所述衬底的光出射面侧折射的光的反射面、用于透过从所述反射面反射的光的第三面、和位于所述折射面和所述第三面之间的第四面；至少所述棱镜中的一些这样构成，即所述折射面的垂线与所述出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
4.如权利要求3所述的菲涅耳透镜片，其中每个棱镜的所述反射面与所述出射面的垂线的夹角小于折射光与所述出射面的垂线的夹角的1/2。
5.一种透射型屏幕，其包括一菲涅耳透镜片，其用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光；所述菲涅耳透镜片包括具有一光入射面和一光出射面的一衬底，以及排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从所述折射面朝所述衬底的光出射面侧折射的光的反射面、和用于透过从所述反射面反射的光的第三面；至少所述棱镜中的一些这样构成，即所述折射面的垂线与所述出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
6.如权利要求5所述的透射型屏幕，其中每个棱镜的所述反射面与所述出射面的垂线的夹角小于折射光与所述出射面的垂线的夹角的1/2。
7.一种透射型屏幕，包括一菲涅耳透镜片，其用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光；所述菲涅耳透镜片包括具有一光入射面和一光出射面的一衬底，以及排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从所述折射面朝所述衬底的光出射面侧折射的光的反射面、用于透过从所述反射面反射的光的第三面、和位于所述折射面和所述第三面之间的第四面；至少所述棱镜中的一些这样构成，即所述折射面的垂线与所述出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
8.如权利要求7所述的透射型屏幕，其中每个棱镜的所述反射面与所述出射面的垂线的夹角小于折射光与所述出射面的垂线的夹角的1/2。
9.一种背投型显示装置，包括一图像光源，其用于发射图像光；和一透射型屏幕，图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影到其上；所述透射型屏幕包括用于将入射光转换成平行光的菲涅耳透镜片；所述菲涅耳透镜片包括具有一光入射面和一光出射面的一衬底，以及排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从所述折射面朝所述衬底的光出射面侧折射的光的反射面、用于透过从所述反射面反射的光的第三面；至少所述棱镜中的一些这样构成，即所述折射面的垂线与所述出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
10.如权利要求9所述的背投型显示装置，其中每个棱镜的所述反射面与所述出射面的垂线的夹角小于折射光与所述出射面的垂线的夹角的1/2。
11.一种背投型显示装置，包括一图像光源，其用于发射图像光；和一透射型屏幕，图像光以预定角度范围内的入射角从背面侧投影到其上；所述透射型屏幕包括用于将入射光转换成平行光的菲涅耳透镜片；所述菲涅耳透镜片包括具有一光入射面和一光出射面的一衬底，以及排列在所述衬底的光入射面侧的多个棱镜，每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面、用于反射从所述折射面朝所述衬底的光出射面侧折射的光的反射面、用于透过从所述反射面反射的光的第三面、和位于所述折射面和所述第三面之间的第四面；至少所述棱镜中的一些这样构成，即所述折射面的垂线与所述出射面的垂线的夹角小于在每个棱镜位置的光的入射角。
12.如权利要求11所述的背投型显示装置，其中每个棱镜的所述反射面与所述出射面的垂线的夹角小于折射光与所述出射面的垂线的夹角的1/2。
全文摘要
公开一种背投型显示装置，其中抑制在入射到设置在透射型屏幕上的反射型菲涅耳透镜片时反射的图像光形成杂散光。菲涅耳透镜片用于将以预定角度范围内的入射角进入的入射光转换成平行光，其包括排列在衬底的光入射面的多个棱镜。每个所述棱镜具有用于折射入射光的折射面，和用于反射从折射面朝衬底的出射面折射的光的反射面。至少所述棱镜中的一些这样构成，即折射面的垂线与出射面的垂线的夹角小于在棱镜位置的入射角。
文档编号H04N5/74GK1769930SQ20051012024
公开日2006年5月10日 申请日期2005年11月7日 优先权日2004年11月5日
发明者小川康文, 岩城孝明, 内野裕章 申请人:索尼株式会社