專利名稱：菲涅耳透鏡及使用這種透鏡的投影顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種菲涅耳透鏡以及一種使用這種透鏡的投影顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
已知將菲涅耳透鏡用于光學(xué)技術(shù)中，可以獲得一般的準(zhǔn)直效果，同時(shí)透鏡厚度減小。
例如，在專利申請(qǐng)JP 2002-221 605中公開了這種類型的透鏡。該透鏡使光源發(fā)出的入射光線變平行。為此，透鏡包括棱鏡元件，將從光源接收到的光線矯正為平行光束。
例如，該透鏡用于投影顯示設(shè)備中。實(shí)際上，在這種設(shè)備中，通過投影系統(tǒng)將較小的成像器(imager)投影到顯示屏幕上，在屏幕上的入射角遍布預(yù)定的范圍，例如從30°到60°。
因此，從投影系統(tǒng)接收到的流必須由菲涅耳透鏡進(jìn)行全局準(zhǔn)直，即，在水平方向矯正，然后通過暗矩陣進(jìn)行一般微聚焦，然后擴(kuò)散到所希望的觀察場中。
根據(jù)JP 2002-221 605，透鏡的設(shè)計(jì)如下接收低入射角的光線的棱鏡元件工作于折射模式，而接收高入射角的光線的棱鏡元件工作于反射模式。
結(jié)果，在高入射角的區(qū)域中以及低入射角的區(qū)域中具有良好的效率。然而，在中間區(qū)域中，無論使用何種類型的棱鏡，效率仍然一般。

發(fā)明內(nèi)容
特別地，為了解決此問題，本發(fā)明提出了一種菲涅耳透鏡，包括至少一個(gè)第一棱鏡和一個(gè)第二棱鏡，每一棱鏡具有第一側(cè)面和第二側(cè)面，第二側(cè)面與主軸形成的角度大于第一側(cè)面與主軸(AA′)形成的角度，第一棱鏡的第二側(cè)面被設(shè)計(jì)為將從光源接收到的光準(zhǔn)直為平行于主軸，其中第二棱鏡的第二側(cè)面被設(shè)計(jì)為沿不同于主軸的第一方向透射從光源接收到的光。
于是，通過接受第二棱鏡的第二側(cè)面所透射(即，反射或折射)的光線的去平行性，可以調(diào)整這一側(cè)面的取向，以獲得更好的光學(xué)效率，即更好的效率。
在兩個(gè)區(qū)域(每個(gè)區(qū)域具有上述類型的棱鏡)的邊界處，第一棱鏡與第二棱鏡相鄰。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，第一方向偏離主軸。
這使得能夠獲得必要幅度的效果。
一般地，第一方向和主軸之間形成大于1°的角度，優(yōu)選地大于2°，并且小于10°，優(yōu)選地小于5°。
第一和第二棱鏡可以工作于反射模式或折射模式。第一和第二棱鏡的反射或透射模式可以相同或不同。在后一種情況下，可以提供第三棱鏡，被設(shè)計(jì)為沿平行于主軸的方向反射從光源接收到的光；在這種情況下，還可以提供至少一個(gè)第四棱鏡，被設(shè)計(jì)為沿不同于主軸的第二方向反射從光源接收到的光。更一般地，可以提供兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)棱鏡，每一個(gè)棱鏡被設(shè)計(jì)為反射或折射所接收到的光。
本發(fā)明在投影顯示設(shè)備中尤其有利。因此，還提出了一種投影顯示設(shè)備，包括生成圖像的裝置，將圖像投影到屏幕上的裝置，其中屏幕包括根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡和光學(xué)聚焦和/或擴(kuò)散元件。


根據(jù)如下參考附圖的描述，本發(fā)明的其他特征將變得顯而易見，附圖中圖1示出了應(yīng)用本發(fā)明的示例性顯示設(shè)備；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)生產(chǎn)的光學(xué)引擎和屏幕；圖3具體地示出了圖2中工作于反射模式的棱鏡；圖4具體地示出了圖2中工作于折射模式的棱鏡。
具體實(shí)施例方式
圖1所圖示的顯示設(shè)備包括發(fā)光系統(tǒng)2，其產(chǎn)生二進(jìn)制光束Bill，由成像器(或光閥)4接收。
成像器4確定二進(jìn)制光束Bill中哪些部分必須發(fā)送到成像系統(tǒng)，從而產(chǎn)生二次光束Bimg，其代表待顯示的圖像。
例如，以像素陣列的形式產(chǎn)生成像器4。每個(gè)像素根據(jù)待顯示圖像中相應(yīng)像素應(yīng)該發(fā)光的強(qiáng)度，對(duì)入射光線(原光束Bill的一部分)進(jìn)行作用。
成像系統(tǒng)6將來自成像器的光向著顯示屏幕10投射。
在圖1所示的示例中，屏幕10上入射光線的入射角在從其底部的角度θ1(約10°)到其頂部的角度θ2(約60°)的范圍內(nèi)改變。
圖1的屏幕10的設(shè)計(jì)類似于下面在圖2中所示、并且詳細(xì)描述的設(shè)計(jì)，但是當(dāng)然可以只包括在菲涅耳透鏡上被設(shè)計(jì)為接收角度范圍從θ1到θ2的入射光線的區(qū)域。
圖2實(shí)際上圖示了從光學(xué)引擎14接收定義待顯示圖像的光束的屏幕12。光學(xué)引擎14包括與圖1的發(fā)光系統(tǒng)2、成像器4和成像系統(tǒng)6相同的元件。
屏幕12包括對(duì)從光學(xué)引擎14接收到的光束進(jìn)行全局準(zhǔn)直的菲涅耳透鏡16、支撐光學(xué)元件20的平板18和暗矩陣22。
暗矩陣22包括交替的黑暗區(qū)域24和透明區(qū)域26。平板18的光學(xué)元件20具體用來將平板18上的入射光束的每一部分聚焦在暗矩陣22的透明區(qū)域26中。暗矩陣22的使用增加了顯示設(shè)備的對(duì)比度。
光學(xué)元件20還用來將光束擴(kuò)散在繞屏幕12的主軸AA′(與屏幕垂直的軸)的某一立體角中，以便即使在觀察者不是正好位于軸上時(shí)也能在屏幕上正確產(chǎn)生顯示。
當(dāng)然，圖2中光學(xué)元件20和區(qū)域24、26的數(shù)目有限，以便不破壞解釋的清楚性。實(shí)際上，這些元件的數(shù)目無疑遠(yuǎn)大于此，達(dá)到對(duì)于待顯示圖像中每個(gè)像素存在數(shù)個(gè)元件的程度。
如前所述，菲涅耳透鏡16一般用來對(duì)從光學(xué)引擎14接收到的光束進(jìn)行準(zhǔn)直，以便獲得光學(xué)元件20對(duì)光束的正確處理。
菲涅耳透鏡16關(guān)于系統(tǒng)的主軸AA′具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。菲涅耳透鏡16包括工作于反射模式的棱鏡(圖3中具體示出的第一區(qū)域18中)和工作于折射模式的棱鏡(圖4中具體示出的第二區(qū)域T中)。
在第一區(qū)域R的第一區(qū)Z1中(圖3)，傳統(tǒng)地產(chǎn)生棱鏡28、40，即，它們包括強(qiáng)烈傾斜(即，與主軸形成小角度)、對(duì)入射光線產(chǎn)生折射的第一側(cè)面30以及通過將入射光線R1反射為與主軸AA′平行的光線R1′對(duì)入射光線R1進(jìn)行準(zhǔn)直的第二側(cè)面32。
在第一區(qū)域R的第二區(qū)Z2中，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，稍稍修改棱鏡34。實(shí)際上，棱鏡34也包括強(qiáng)烈傾斜的第一側(cè)面36(與主軸形成約20°的角度，通常小于30°)以及向前方即向著平板18反射入射光線R2的第二側(cè)面38。
然而，第一和第二側(cè)面36、38不是精確地按照對(duì)光線R2進(jìn)行準(zhǔn)直的方式來取向，而是略微修改它們的取向，以改進(jìn)棱鏡34的整體透射模式效率，例如通過減小由于損失光線Rp(經(jīng)由第一側(cè)面30、36進(jìn)入、但是沒有與第二側(cè)面32、38相交的光線)而產(chǎn)生的損耗。
棱鏡34頂點(diǎn)的角度通常受到刻蝕工具的限制，因此，通過將側(cè)面36、38傾斜相同的量從而保持頂點(diǎn)的角度恒定，可以針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)棱鏡34的側(cè)面36、38有利地進(jìn)行修改。
于是，以這種方式改進(jìn)效率需要去除輸出光束的平行性，因此第二側(cè)面38所反射的光線R2′將與主軸AA′形成非零角度α。
然而，當(dāng)在兩種情況下第一側(cè)面36取向?yàn)轫旤c(diǎn)處的角度為刻蝕工具可能達(dá)到的極限角度時(shí)，第二側(cè)面38的傾斜β和在允許對(duì)光線R2進(jìn)行準(zhǔn)直的情況下的傾斜β0之間的差Δβ必須受到限制，以便不破壞系統(tǒng)的光學(xué)操作。Δβ的值優(yōu)選地為幾度，通常小于5°。
實(shí)際上，棱鏡34的第二側(cè)面38所反射的光線R2′與主軸AA′形成非零角度α。利用優(yōu)選的Δβ值(見上)，結(jié)果通常是小于10°的角度。在某些情況下，例如當(dāng)光學(xué)容限低時(shí)，第二側(cè)面38將取向?yàn)楂@得小于5°的α。
優(yōu)選地，與傳統(tǒng)取向(β0)相比，以并不是微不足道的方式修改第二側(cè)面38的取向(β)，以獲得棱鏡34效率的實(shí)質(zhì)改進(jìn)。例如，這種并不微不足道的修改導(dǎo)致最小1°的去平行性(α)，甚至最小2°的去平行性(α)。
可知，在這種情況下通過使用比實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直的傳統(tǒng)傾斜β0更大的傾斜β，反射光線R2′偏離主軸AA′。
根據(jù)一個(gè)可能的實(shí)施例，棱鏡34的第二側(cè)面38實(shí)質(zhì)上平行于第一區(qū)Z1中棱鏡40的相應(yīng)側(cè)面。從圖3可知，第二區(qū)Z2的棱鏡34和第一區(qū)Z1的棱鏡40相鄰。
當(dāng)然，可以對(duì)每一區(qū)Z1、Z2提供不同數(shù)目的棱鏡；于是，第一區(qū)Z1可以僅包含一個(gè)單獨(dú)棱鏡28或多于兩個(gè)的多個(gè)棱鏡28，并且第二區(qū)Z2可以包含數(shù)個(gè)棱鏡。
在第二區(qū)域T的第一區(qū)Z3中(圖4)，傳統(tǒng)地產(chǎn)生棱鏡41它們包括實(shí)質(zhì)上與主軸AA′平行的第一側(cè)面42(對(duì)于制作光線，通常為3°)和第二側(cè)面44，第二側(cè)面44取向?yàn)橥ㄟ^折射對(duì)入射光線R3準(zhǔn)直，即，棱鏡41所透射的光線R3′平行于主軸AA′。
在第二區(qū)域T的第二區(qū)Z4中，棱鏡46或每個(gè)棱鏡46與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比稍稍修改盡管棱鏡46的第一側(cè)面48傳統(tǒng)地實(shí)質(zhì)上與主軸AA′平行，棱鏡46的第二側(cè)面50與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比略微傾斜，從而入射光線R4不是準(zhǔn)確地平行于主軸AA′透射，而是沿著略微不同的方向R4′，并且這是為了改進(jìn)棱鏡46的整體效率。
因此，棱鏡第二側(cè)面50和主軸AA′(實(shí)際上以穿過主軸AA′的平面定義)之間的角度δ與主軸和在允許對(duì)光線R4準(zhǔn)直的情況下(即，將光線R4反射為平行于主軸AA′的光線)的側(cè)面之間的角度δ0相差數(shù)值Δδ。
因此，通過棱鏡46的折射而透射的光線R4′與主軸AA′形成非零角度γ。
由上可知，光線R4′與主軸AA′之間的角度γ(因此，代表去平行量)優(yōu)選地大于1°，甚至2°，以獲得實(shí)質(zhì)的效率改進(jìn)效果。
類似地，角度γ優(yōu)選地小于10°，或者必要時(shí)甚至小于5°，以避免惡化系統(tǒng)的光學(xué)特性。
在圖4所示的有利實(shí)施例中，定義第二區(qū)Z4中棱鏡46的第二側(cè)面50相對(duì)于主軸AA′的取向的角度δ被選擇為大于根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在此點(diǎn)允許對(duì)光線R4準(zhǔn)直的角度δ0。因此，光線R4在第二側(cè)面50上的入射角小于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的情況，并改進(jìn)了棱鏡46的效率，一方面是通過減小與折射相關(guān)的菲涅耳損耗，但是主要是通過減小由第一側(cè)面48引入的損耗，因此減小了其大小(損失光線Rp′)。
因此，在這種情況下，棱鏡46所透射的光線R4′偏離主軸AA′。
例如，可以將第二區(qū)Z4中棱鏡46的第二側(cè)面50定義為實(shí)質(zhì)上平行于與之相鄰的第一區(qū)Z3中棱鏡41的第二側(cè)面44。
本發(fā)明所提出、并且上面參考圖3和4詳細(xì)描述的菲涅耳透鏡16在投影顯示設(shè)備(例如，參考圖1和2所描述的投影顯示設(shè)備)中是尤其令人感興趣的。
實(shí)際上，位于菲涅耳透鏡16下游的光學(xué)系統(tǒng)，即，通常是光學(xué)元件20的平板18和暗矩陣22，允許入射光束的去平行性為大約5°到10°。
當(dāng)然，剛剛描述的本發(fā)明不限于所述實(shí)施例。
具體地，為了透射光束，根據(jù)本發(fā)明，菲涅耳透鏡具體可以包括兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)區(qū)域，可以通過以下方式來區(qū)分這些區(qū)域，其中棱鏡的第二側(cè)面接收到的光根據(jù)如下兩個(gè)參數(shù)透射-第一參數(shù)與透射模式相關(guān)，透射模式可以是反射(相應(yīng)棱鏡的第二側(cè)面被設(shè)計(jì)為反射從源接收到的光)或折射(相應(yīng)棱鏡的第二側(cè)面被設(shè)計(jì)為折射從源接收到的光)；以及-第二參數(shù)涉及所接收到的光的透射方向，或者與透鏡的主軸平行，或者沿不同方向。
根據(jù)本發(fā)明，這兩個(gè)參數(shù)可以以所有可能的方式組合，只要不違反如下條件至少一個(gè)區(qū)域沿著主軸方向透射所接收到的光，并且至少一個(gè)區(qū)域沿著不同方向透射所接收到的光。
于是，在具有兩個(gè)區(qū)域的透鏡中，可以具有兩個(gè)透射或反射類型的透射模式或者兩個(gè)具有不同透射模式的區(qū)域。
在具有三個(gè)區(qū)域的透鏡中，可以具有兩個(gè)根據(jù)第一模式的區(qū)域以及一個(gè)根據(jù)第二不同模式的區(qū)域；還可以具有一個(gè)或兩個(gè)區(qū)域，其中棱鏡的第二側(cè)面沿著主軸方向透射所接收到的光。
優(yōu)選地，在具有其中棱鏡以不同透射模式工作的區(qū)域的透鏡中，其中棱鏡工作于反射模式的區(qū)域或每個(gè)區(qū)域最靠近透鏡的主軸。
作為說明，在透鏡中，區(qū)域的限制優(yōu)選地遵守如下特性-其中棱鏡工作于折射模式、且沿著透鏡主軸透射的區(qū)域，入射光線的入射角小于約20°；-其中棱鏡工作于反射模式、且沿著透鏡主軸透射的區(qū)域，入射光線的入射角大于約40°；-在具有沿不同于透鏡主軸的方向透射的兩個(gè)區(qū)域的透鏡中，在這兩個(gè)區(qū)域之間的邊界處，入射光線的入射角等于約30°。
因此，例如，特定的實(shí)施例可以包括區(qū)域Z1至Z4(如圖3和4所示)的如下組合(下述序列的第一元素最靠近透鏡的軸)(Z3，Z4)、(Z3，Z2)、(Z4，Z1)、(Z2，Z1)、(Z3，Z4，Z2)、(Z3，Z4，Z1)、(Z4，Z2，Z1)、或(Z3，Z4，Z2，Z1)。
此外，優(yōu)選地，透鏡中棱鏡的頂點(diǎn)處的角度是恒定的，以有助于制造，并且例如等于40°，或更一般地，在35°和45°之間。
為了確定棱鏡所透射的光束的取向，可以使用傳統(tǒng)裝置，例如使用如圖3或4所示的平均光線，或者測量棱鏡所透射的光線的取向的平均值。
權(quán)利要求
1.一種菲涅耳透鏡，包括至少一個(gè)第一棱鏡(28；40；41)和一個(gè)第二棱鏡(34；46)，每一棱鏡具有第一側(cè)面(30；36；42；48)和第二側(cè)面(32；38；44；50)，第二側(cè)面(32；38；44；50)與主軸(AA′)形成的角度大于第一側(cè)面(30；36；42；48)與主軸(AA′)形成的角度，第一棱鏡(28；40；41)的第二側(cè)面(32；44)被設(shè)計(jì)為將從光源接收到的光準(zhǔn)直為平行于主軸(AA′)，所述菲涅耳透鏡具有關(guān)于所述主軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，其特征在于，第二棱鏡(34；46)的第二側(cè)面(38；50)被設(shè)計(jì)為沿不同于主軸(AA′)的第一方向(R2′；R4′)透射從光源接收到的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一棱鏡(40)與第二棱鏡(34)相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一方向(R2′；R4′)偏離主軸(AA′)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主軸(AA′)之間形成大于1°的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主軸(AA′)之間形成大于2°的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主軸(AA′)之間形成小于10°的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一方向(R2′；R4′)和主軸(AA′)之間形成小于5°的角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一(28，40)和第二(34)棱鏡工作于反射模式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一(41)和第二(46)棱鏡工作于折射模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的菲涅耳透鏡，其特征在于第一棱鏡工作于第一反射或透射模式，并且第二(46)棱鏡工作于與第一模式不同的第二反射或透射模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的菲涅耳透鏡，其特征在于至少一個(gè)第三棱鏡(28，40)被設(shè)計(jì)為沿平行于主軸的方向透射從光源接收到的光，第三棱鏡工作于與第一棱鏡的工作模式不同的反射或透射模式。
12.根據(jù)權(quán)利要求8、9和11中任一項(xiàng)所述的菲涅耳透鏡，其特征在于至少一個(gè)第四棱鏡(34)被設(shè)計(jì)為沿不同于主軸的第一方向透射從光源接收到的光，第四棱鏡工作于與第二棱鏡的工作模式不同的反射或透射模式。
13.一種投影顯示設(shè)備，包括生成圖像的裝置(2，4)；將圖像投影到屏幕(10；12)上的裝置(6)；屏幕包括菲涅耳透鏡(16)和光學(xué)聚焦和/或擴(kuò)散元件(16)，其中，菲涅耳透鏡符合權(quán)利要求1至11之一。
全文摘要
菲涅耳透鏡包括至少一個(gè)第一棱鏡(28)和一個(gè)第二棱鏡(34)。每一棱鏡具有第一側(cè)面(30，36)和第二側(cè)面(32，38)，第二側(cè)面(32，38)與主軸(AA′)形成的角度大于第一側(cè)面(30，36)與主軸(AA′)形成的角度。傳統(tǒng)上，第一棱鏡(28)的第二側(cè)面(32)將從光源接收到的光(R1)準(zhǔn)直為平行于主軸(AA′)。為了改進(jìn)光學(xué)效率，第二棱鏡(34)的第二側(cè)面(38)沿著與主軸(AA′)略有不同的第一方向(R2′)透射從光源接收到的光(R2)。
文檔編號(hào)G03B21/62GK1906504SQ200580001945
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月7日
發(fā)明者阿爾諾·舒伯特, 帕斯卡爾·伯努瓦 申請(qǐng)人:湯姆森許可貿(mào)易公司