專利名稱：菲涅耳透鏡、投影屏、相應(yīng)的投影裝置和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明應(yīng)用于設(shè)計(jì)成用于背投系統(tǒng)的菲涅耳透鏡的領(lǐng)域。它也應(yīng)用于背投屏、背投單元和相應(yīng)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
背投屏主要包括兩個(gè)元件，即，聚焦或準(zhǔn)直光的菲涅耳透鏡和將光傳遞給觀眾的透鏡陣列。
在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中，投影儀放置在屏幕的軸上。菲涅耳透鏡的數(shù)值孔徑限定為約0.6。該限制的主要原因是菲涅耳透鏡在大入射角時(shí)的隆起特征的形狀和損耗。
而且，為了獲得緊湊的背投系統(tǒng)，在投影儀和背投屏之間設(shè)置用于折疊光束的偏轉(zhuǎn)反射鏡系統(tǒng)(圖1)。這種投影儀的厚度或深度可以減小到屏幕對(duì)角線的1/3。例如，在16/9格式中，對(duì)于50英寸對(duì)角線的屏幕可以獲得17英寸的厚度。
如果我們還希望減小電視背投單元的厚度，可以提供例如偏軸投影到背投屏的背面。這樣，可以將單元的厚度減小到只有屏幕對(duì)角線的1/5。圖2a和2b分別示出同軸和偏軸的背投單元。
在偏軸結(jié)構(gòu)或投影到屏幕的圖像相對(duì)于投影儀物鏡的光軸是偏中心的結(jié)構(gòu)中，要解決的一個(gè)主要問題是如何可以保證所有投影到屏幕的光傳遞到觀眾和發(fā)射是最均勻的。特別是，這涉及減小菲涅耳透鏡損耗，當(dāng)在菲涅耳透鏡上的照明光的入射角增加時(shí)，這種損耗增大。
為了解決這個(gè)問題，已經(jīng)提出各種菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)，但是，已知的結(jié)構(gòu)通常具有用于菲涅耳透鏡的復(fù)雜凸紋特征，導(dǎo)致透鏡生產(chǎn)起來相當(dāng)困難，因而很昂貴。
專利申請(qǐng)JP59-000101公開了一種菲涅耳透鏡，其中當(dāng)通過模制加工時(shí)，構(gòu)成菲涅耳透鏡的棱鏡面形成的角度大得足夠讓透鏡容易脫模。更準(zhǔn)確地說，在上述文獻(xiàn)中，透鏡每個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)表面平行于入射光線。但是，當(dāng)它以大入射角照明時(shí)，和當(dāng)這些角度在很大角度范圍內(nèi)變化時(shí)，這種透鏡的操作受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)簡單并且容易工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)和允許大入射角操作的菲涅耳透鏡。
因此，本發(fā)明涉及菲涅耳透鏡，包括位于平面(P)的第一表面(f1)；和與該表面相反、平行于第一表面并包括圓形同心折射結(jié)構(gòu)的第二表面。
每個(gè)折射結(jié)構(gòu)定義如下第一面(b)，用于形成折射屈光器，并與平面(P)形成第一夾角(α)，和第二面，沒有光學(xué)目的，并與平面(P)的法線形成第二夾角(β)，每個(gè)所述結(jié)構(gòu)用于被光束照明，光束與所述平面(P)的法線形成不同于零度的入射角(θint)。
第二表面具有多個(gè)分布在同心折射結(jié)構(gòu)的中心和菲涅耳透鏡的周邊之間的折射結(jié)構(gòu)區(qū)，例如，至少兩個(gè)區(qū)靠近中心的第一區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成零度夾角(θout)的方向折射光束，和每個(gè)第二面的第二夾角(β)等于所述入射角(θint)；第二區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成小于最大值(θmax)的非零度夾角(θout)的方向折射光束，和每個(gè)第二面的第二夾角(β)等于所述入射角(θint)。
根據(jù)可替換實(shí)施例，透鏡包括位于第二區(qū)和菲涅耳透鏡周邊之間的第三區(qū)，其中第三區(qū)中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成等于最大值(θmax)的非零度夾角(θout)的方向折射光；和每個(gè)第二面的第二夾角(β)大于入射角(θint)。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，每個(gè)第一面與每個(gè)相鄰第二面形成蝕刻角(ζ)，該角度在第二區(qū)和第三區(qū)具有特定值(ζlim)，和在第一區(qū)具有大于該特定值的值。
下列等式直接從上述給定的夾角α，β和ζ的定義推導(dǎo)ζ＝β+π/2-α。在第一區(qū)中，本發(fā)明提供滿足加工要求的最大可能的蝕刻角，同時(shí)仍然保持理想的準(zhǔn)直(θout＝0)，因?yàn)棣猎谠搮^(qū)保持相當(dāng)小。在該區(qū)中，蝕刻角保持大于特定值。實(shí)際上，該角度通常小于70°。通常還大于40°。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體特定特征，一個(gè)特征是特別適于緊湊投影，它在30°和40°之間。
在第二區(qū)中，夾角α稍微小于容許獲得理想準(zhǔn)直所必須的角度(容許θout不等于零，但小于θmax)，從而蝕刻角ζ保持大于特定值，或最好等于特定值。在第三區(qū)中，盡管夾角α背離要獲得理想準(zhǔn)值所必須的角度，其具有對(duì)應(yīng)于輸出角θout等于θmax的最大值，但是，容許夾角β相對(duì)于入射角的差，但依然是蝕刻角ζ還保持大于特定值，或最好等于特定值。因此，由于其折射結(jié)構(gòu)的大蝕刻角，本發(fā)明使它可以提供在最高水平的光學(xué)性能和最低水平的制造成本之間最好折衷的菲涅耳透鏡。
如果適當(dāng)?shù)脑?，第二區(qū)和第三區(qū)的每個(gè)至少具有一個(gè)折射結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，菲涅耳透鏡的第一表面優(yōu)選地為平面。該第一表面還優(yōu)選地涂敷用于大入射角的優(yōu)化的抗反射涂層，尤其是用于42°或更大的大入射角。
折射結(jié)構(gòu)優(yōu)選地為圓形或近似圓形。在一種應(yīng)用方法中，照明透鏡的光束發(fā)散，并且來自位于透鏡軸線或靠近該軸線的點(diǎn)(沒有光學(xué)象差)或近似點(diǎn)狀區(qū)(沒有光學(xué)象差)。
優(yōu)選地，蝕刻角(ζ)的特定值小于70°。優(yōu)選地，蝕刻角(ζ)大約在30°和50°之間。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，其等于60°或在55°和65°之間。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選特定特征，菲涅耳透鏡值得注意的是，至多等于透鏡上的點(diǎn)的焦距與該點(diǎn)離開透鏡軸的距離的比率的一半的數(shù)值孔徑(或f數(shù))等于或小于0.55。因此，可以獲得有用成像光束相當(dāng)高的最大入射角(例如，對(duì)于等于或小于0.55的數(shù)值孔徑，等于或大于42°)。這樣可以加工相當(dāng)平的背投單元。
本發(fā)明應(yīng)用于圖像背投屏，其包括入射面和指向觀眾的出射面。上面限定的菲涅耳透鏡沿屏幕的入射面放置，具有折射結(jié)構(gòu)的透鏡表面朝向出射面。
本發(fā)明還涉及用于圖像投影的系統(tǒng)，包括
產(chǎn)生成像光束的光源；菲涅耳透鏡；和成像光束偏轉(zhuǎn)反射鏡，用于將所述成像光束送回到所述菲涅耳透鏡；該菲涅耳透鏡具有位于平面(P)的第一表面(f1)；和與該表面相反、平行于第一表面的第二表面，并具有圓形同心折射結(jié)構(gòu)。
每個(gè)折射結(jié)構(gòu)被第一面(b)和第二面限定，第一面(b)用于形成折射屈光器，并與所述平面(P)形成第一夾角(α)，第二面沒有光學(xué)目的，并與所述平面(P)的法線形成第二夾角(β)。
系統(tǒng)值得注意的是，形成第一組結(jié)構(gòu)的所述結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)部分用于被下面的光束照明第一光束，稱為直接光束，其從成像光束發(fā)出且不被第一表面反射，由于所述直接光束透過所述菲涅耳透鏡，直接光束形成第一入射光束；和第二光束，稱為寄生光束，其從成像光束發(fā)出并被第一表面反射，然后被偏轉(zhuǎn)反射鏡反射，由于寄生光束透過所述菲涅耳透鏡，寄生光束形成第二入射光束；第二入射光束與所述平面(P)的法線形成不同于零度的入射角(θ′int)。
優(yōu)選地，第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)大于第二入射光束的入射角(θ′int)減10度；并且第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)小于上限，該上限等于第二入射光束的入射角(θ′int)加2度。
因此，本發(fā)明允許聯(lián)合使用折疊反射鏡和菲涅耳透鏡，不會(huì)降低投影圖像的質(zhì)量。
此外，第一入射光束和大多數(shù)第二光束不直接照射折射結(jié)構(gòu)的第二面，而是照射第一面。同樣，第一入射光束沿優(yōu)選方向朝潛在的觀眾折射。但是，對(duì)應(yīng)于照射第一面的寄生光束的第二入射光束以不同于第一入射光束的入射角沿另一方向折射，觀眾通?？床灰娝?。因此，通過消除或大大地減少幻影圖像，提高圖像的質(zhì)量，特別是，這種幻影圖像由有用的成像光束在透鏡的第一表面、然后在折疊反射鏡上的反射獲得的寄生光線產(chǎn)生，同時(shí)仍然讓菲涅耳透鏡易于加工。
而且，方便透鏡的加工(因而增加工具作業(yè))，同時(shí)消除寄生光線。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體特定特征，第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)大于5度。優(yōu)選地，第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)大于10度。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選特征，第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于第二入射光束的入射角(θ′int)。
優(yōu)選地，菲涅耳透鏡至少包括兩部分，包括第一部分，其中第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于第二入射光束的入射角(θ′int)；和第二部分，其中第二組結(jié)構(gòu)的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于第一入射光束的入射角(θint)。
根據(jù)本發(fā)明的可替換實(shí)施例，第二部分分成兩個(gè)部分，其不會(huì)被在透鏡的第一表面、然后在折疊反射鏡上的反射而獲得的寄生光線照射靠近透鏡軸線的區(qū)，其位于對(duì)應(yīng)于下部入射光束的最低反射光線下面(在結(jié)構(gòu)中，成像光束從底面向上照射)；和透鏡的周邊區(qū)，其位于被折疊反射鏡最后反射的光線上面，其尺寸優(yōu)選地由用于折疊成像光束的有用部分限定。
根據(jù)本發(fā)明的另一可替換實(shí)施例，第二部分全在一個(gè)塊中并且只包括周邊區(qū)。那么，透鏡例如包括靠近透鏡軸線的區(qū)，其中如果從光源產(chǎn)生的成像光束被菲涅耳透鏡的向下范圍反射并且也被折疊反射鏡的向下范圍反射，第二組結(jié)構(gòu)的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于或小于預(yù)定值，或等于或小于產(chǎn)生的第二入射光線的入射角(θint)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體特定特征，第二表面至少包括分布在同心折射結(jié)構(gòu)的中心和菲涅耳透鏡的周邊之間的兩個(gè)折射結(jié)構(gòu)區(qū)靠近中心的第一區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成零度夾角(θout)的方向折射第一入射光束，和第二區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成小于最大值(θmax)的非零度夾角(θout)的方向折射第一入射光束。
優(yōu)選地，系統(tǒng)還包括本身含有濾光裝置的微透鏡屏(lenticular screen)，濾光裝置對(duì)被菲涅耳透鏡折射的第一入射光線是透明的，并濾除被菲涅耳透鏡折射的第二入射光線，濾光裝置與所述菲涅耳透鏡并置。因此，消除大多數(shù)存在的寄生光線，尤其是對(duì)應(yīng)于第二入射光線透過第一面的光線。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，系統(tǒng)包括圖像背投屏，其包括入射面和指向觀眾的出射面，屏幕包括所述菲涅耳透鏡，該菲涅耳透鏡沿屏幕的入射面設(shè)置，于是具有折射結(jié)構(gòu)的透鏡表面指向屏幕出射面。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，至多等于透鏡上的點(diǎn)的焦距與該點(diǎn)離開透鏡軸的距離的比率的一半的數(shù)值孔徑(或f數(shù))等于或小于0.55。
因此，本發(fā)明特別適用于薄的投影儀。
本發(fā)明還應(yīng)用于背投單元，其包括這種背投屏或這種投影系統(tǒng)，投影儀朝出射面發(fā)射光束。投影儀優(yōu)選地設(shè)置在菲涅耳透鏡的軸線上，并僅僅將圖像投影到位于其軸線一側(cè)的一部分菲涅耳透鏡上。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，投影儀物鏡的光瞳大約位于菲涅耳透鏡的軸線上，并且該物鏡的光軸指向位于菲涅耳透鏡軸線一側(cè)的菲涅耳透鏡的利用部分。


在下列描述和附圖中，本發(fā)明的各個(gè)方面和特性化特征將顯而易見，其中示出圖1、2a和2b，現(xiàn)有技術(shù)已知和上面已經(jīng)描述的背投系統(tǒng)的實(shí)例；圖3a和3b，本發(fā)明應(yīng)用的菲涅耳透鏡的實(shí)例；圖4a和4b，解釋本發(fā)明的圖；圖5a-5d，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的菲涅耳透鏡的實(shí)例；圖6a-6c，圖示表征根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡的角度值的曲線；圖7，圖示通過根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡的P偏振和S偏振的透射率的曲線；圖8，根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用到背投單元的菲涅耳透鏡的實(shí)例；圖9和10，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的背投單元；圖11和15，在圖9和10的單元中使用的屏幕詳圖；圖13和14，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的背投單元；和圖12，圖示表征圖13和14單元中的菲涅耳透鏡的角度值的曲線。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在描述根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡。
圖3a表示包括同心棱鏡形狀折射結(jié)構(gòu)的菲涅耳透鏡FL。從該圖中可以看出，只利用透鏡圓形平面的一部分，一般小于一半。圖3b表示該透鏡FL包括位于平面的平面第一表面，和與該表面相對(duì)、平行于第一表面并包括圓形同心折射結(jié)構(gòu)的第二表面。第一表面用位于透鏡光軸XX′的光源PR照明，但是，只有該光源的側(cè)向區(qū)域的一部分照明透鏡。在圖3b中，該光源PR位于透鏡FL的光軸XX′上，并且僅照明該透鏡位于XX′軸上面的一部分。它相對(duì)于透鏡傾斜入射照明透鏡。照明光束的下部光線30在菲涅耳透鏡上形成相對(duì)小的入射角θext，而光束的上部光線31形成較大的入射角θext。
如圖4a和4b所示，每個(gè)折射結(jié)構(gòu)元件由構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的折射屈光器的面b(或表面b)和在圖4a和4b構(gòu)架內(nèi)沒有光學(xué)利用的面c(或表面c)組合。根據(jù)本實(shí)施例，菲涅耳透鏡由作為平行于參考平面P的入射面或入射平面的平面a，和位于透鏡右側(cè)的表面并且每個(gè)由表面b和c組合的折射結(jié)構(gòu)組合。
在下面的描述中α表示表面b與菲涅耳透鏡入射平面的夾角；β表示表面c與入射平面的法線的夾角；θext表示光線在菲涅耳透鏡的平面入射面a的入射角；θint表示在通過菲涅耳透鏡的平面入射面a折射后，入射的光線與入射平面(菲涅耳透鏡的入射面)的法線的夾角；ζ表示兩個(gè)表面b和c之間的夾角，其可以稱為機(jī)械加工角或加工角；和h表示折射結(jié)構(gòu)的高度。
在圖4a中虛線所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)中，諸如表面c與入射平面P的法線形成大約3°的夾角β。這種結(jié)構(gòu)具有大高度h和低角度ζ的窄棱鏡折射元件，因而它難以大批量地生產(chǎn)。
通常，本發(fā)明目的是給出夾角β的值是這樣，對(duì)于每個(gè)折射結(jié)構(gòu)，表面c平行于折射結(jié)構(gòu)接收的光線。如圖4a所示，折射結(jié)構(gòu)的高度減小到高度h′和夾角ζ基本上較大。那么，棱鏡元件更容易生產(chǎn)。
而且，在圖3b所示的一個(gè)應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，當(dāng)利用光源PR發(fā)射的發(fā)散光束從菲涅耳透鏡輸出時(shí)，如果期望獲得準(zhǔn)直光束，例如，沿方向XX′準(zhǔn)直，每個(gè)折射結(jié)構(gòu)的表面b必須形成夾角α，其是它接收的光線的夾角θint的函數(shù)。
為了獲得這個(gè)結(jié)果，折射結(jié)構(gòu)的每個(gè)表面b與夾角α的值相關(guān)，從而α＝arcsin{(nsinθint)/[(1-ncosθint)2+(nsinθint)2]1/2}棱鏡折射結(jié)構(gòu)的表面b和c之間的夾角ζ具有等于或大于加工極限值ζlimx(圖5a)的值，低于該值，要經(jīng)濟(jì)地加工棱鏡元件就特別困難。特別是，該加工極限值取決于所用的加工工藝和透鏡的尺寸。
但是，當(dāng)θint太大時(shí)，夾角ζ的值具有小于值ζlim的風(fēng)險(xiǎn)。為了不低于該極限值，即使增大它們接收的光線的夾角θint，必須調(diào)整折射結(jié)構(gòu)的每個(gè)表面b的夾角α。那么，折射光不再平行于XX′方向。獲得圖5b所示的操作。
但是，為了讓透射光束的質(zhì)量不受損，在輸出時(shí)獲得的發(fā)散度必須保持在可接受限度內(nèi)。對(duì)于較大的入射角θint，需要接受取決于入射角θint和限制輸出光束發(fā)散角θmax的夾角α。但是，為了保持夾角ζ在其加工極限值ζlim內(nèi)，必須接受每個(gè)表面c與入射平面的法線形成的夾角β是夾角α的函數(shù)。這意謂著β＝ζlim-90+α(圖5c)。
圖5d示出結(jié)合圖5a-5c的三種結(jié)構(gòu)的菲涅耳透鏡。
在位于菲涅耳透鏡光學(xué)中心附近的第一區(qū)域Z1中，來自光源PR的光線入射角最小，提供圖5a所示類型的結(jié)構(gòu)。接下來，在中間區(qū)域Z2中，提供諸如圖5b中的結(jié)構(gòu)。最后，在離透鏡光學(xué)中心最遠(yuǎn)的區(qū)域，來自光源PR的光線入射角最大，提供圖5c所示類型的結(jié)構(gòu)。
因此，作為在菲涅耳透鏡的第二表面光的入射角θint的函數(shù)的夾角α、β和ζ的值如下區(qū)域Z1α＝arcsin{(nsinθint)/[(1-ncosθint)2+(nsinθint)2]1/2}β＝θintζ＝90-α+β，和ζ≥ζlim在該區(qū)域Z1中，輸出光束平行于XX′軸。光束的輸出夾角θout相對(duì)于平面P的法線為零，即，θout＝0。夾角ζ小于極限值ζlim。
區(qū)域Z2α＝90-ζlim+ββ＝θintζ＝ζlim
在該區(qū)域Z2中，輸出光束相對(duì)于XX′軸的方向輕微發(fā)散，發(fā)散角θout小于事先設(shè)定的最大值θmax。夾角ζ也等于極限值ζlim。區(qū)域Z3α＝arctan[(nsinθint-sinθmax)/(ncosθint-nsinθint)]其中θmax是輸出光束的發(fā)散角最大可能值；β＝ζ-90+αζ＝ζlim在該區(qū)域Z3中，光束相對(duì)于XX′軸的方向輕微發(fā)散，發(fā)散角θout等于事先設(shè)定的最大入射值θmax(θout＝θmax)。夾角ζ也等于機(jī)械加工(或加工)極限值ζlim。
應(yīng)該指出，在該最后的區(qū)域Z3中，由于光在折射結(jié)構(gòu)的表面c的小部分反射，有輕微損耗。
作為實(shí)施例，例如，尺寸為1107mm×622mm的16/9格式的菲涅耳透鏡，用直徑1.81米和焦距為462mm的“透鏡”(模具)加工，并且照明光源PR與屏幕的光軸偏離410mm，可以具有在12°和63°之間變化的外部入射角θext。
圖6a、6b和6c分別示出夾角α、β和ζ的值提供的曲線604，614和624，為連續(xù)線，作為夾角θext的函數(shù)。對(duì)于小于θmax＝5°的θout值和對(duì)于等于60°的ζlim值給出這些曲線。當(dāng)然，ζlim可以是其它值，取決于本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，例如，在30°和50°之間。入射角θext的值在x軸上繪出(軸600)。夾角α、β和ζ的值在各個(gè)y軸上繪出(分別是軸601，611和621)。
陰影線所示的是對(duì)應(yīng)于常規(guī)菲涅耳透鏡的變化曲線602，612和622，而對(duì)于在ζ和β中的曲線所示的虛線603和623，分別是變化曲線的截去部分。
從這些曲線中可以看出，在0°＜θext＜28°的區(qū)域?qū)?yīng)于上述區(qū)域Z1。
θext在28°和35°之間的區(qū)域?qū)?yīng)于區(qū)域Z2。
θext在35°和63°之間的區(qū)域?qū)?yīng)于區(qū)域Z3。
圖7提供圖示通過根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡的P偏振和S偏振的透射率曲線。
在x軸(軸70)上繪出的是入射角θint，在y軸(軸71)上繪出的是透射率。
上面兩根曲線73和75表示P偏振的透射。點(diǎn)劃曲線73表示標(biāo)準(zhǔn)透鏡的透射，陰影曲線75表示根據(jù)本發(fā)明的透鏡的透射?？梢钥闯龈叩溅萫xt＝40°，效率相同，用根據(jù)本發(fā)明的透鏡效率稍微下降，但在可接受比率之內(nèi)。
下面兩根曲線72和74表示S偏振的透射。連續(xù)曲線72涉及標(biāo)準(zhǔn)透鏡，圓圈圍繞的曲線74涉及根據(jù)本發(fā)明的透鏡?？梢钥闯龈叩?0°的效率相同。在30°和45°之間，根據(jù)本發(fā)明的透鏡的效率更高。在45°以上，效率相同。
總體而言，根據(jù)本發(fā)明的透鏡的效率與常規(guī)透鏡一樣高。但是，根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡在大入射角照明的情況下操作，因?yàn)橄喈?dāng)大的夾角ζ(大約60°)，它的加工沒有造成棘手的問題。
菲涅耳透鏡特別是應(yīng)用于背投屏幕。圖8表示背投單元。根據(jù)本發(fā)明、平行于平面P放置的菲涅耳透鏡FL與背投屏BS并置，其具有折射結(jié)構(gòu)的表面面對(duì)屏幕設(shè)置。透鏡FL的平面表面被投影儀PR照明，投影儀PR沿透鏡的光軸XX′定位并且在透鏡的下面，僅僅示出其有用的部分，也就是說被投影儀PR照明的部分，從而以相當(dāng)大的入射角照明透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，物鏡的光軸與透鏡的光軸XX′共線。
根據(jù)本發(fā)明的可替換實(shí)施例，物鏡光瞳位于菲涅耳透鏡的光軸XX′上。但是，物鏡的光軸與菲涅耳透鏡的光軸XX′不共線。例如，物鏡可以這樣定向，其軸線通過菲涅耳透鏡所利用部分的中心，也就是說，通過屏幕的中心。當(dāng)然，透鏡位于物鏡提供的圖像上并在該圖像的平面上。這種結(jié)構(gòu)例如用圖8圖示。
圖9圖示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的背投單元5，其特別適于消除寄生圖像，當(dāng)?shù)椒颇哥R54的平面表面和在折疊反射鏡53上通過反射產(chǎn)生寄生光線時(shí)，可以看見寄生圖像。本發(fā)明的這個(gè)可替換實(shí)施例也非常適于生產(chǎn)具有高質(zhì)量圖像的小型背投單元，并且還非常適于易于生產(chǎn)的相應(yīng)菲涅耳透鏡。
更準(zhǔn)確地說，背投單元5包括含有物鏡51的成像裝置50，其從成像源PR(光瞳中心)朝第一折疊反射鏡52、然后朝第二折疊反射鏡53(以便使單元5緊湊)和菲涅耳透鏡54發(fā)射成像光束。單元5的屏幕包括菲涅耳透鏡54、黑底(black matrix)58(用于濾除寄生光線的形成裝置)和散光板(diffuser)59。
成像光束具有與投影屏幕匹配的矩形橫截面，其底部被光線57限制，其頂部被光線52的軸線附近的光線56限制，其相對(duì)于物鏡的光軸偏軸。應(yīng)該指出，根據(jù)上述發(fā)明，成像光束的入射角特別大。
圖10詳細(xì)解釋成像光束的某些光線的傳播路徑。因此，兩入射光線到達(dá)菲涅耳透鏡54上的點(diǎn)N，即形成部分成像光束的直接入射光線62，用實(shí)線表示；和屬于寄生光束的寄生入射光線60，如虛線所示。
直接入射光線62來自光源PR，在經(jīng)過物鏡51后，分別在折疊反射鏡52和53上連續(xù)兩次反射。寄生入射光線60通過在菲涅耳透鏡54平面表面的點(diǎn)N′、然后在折疊反射鏡53的點(diǎn)N″上反射直接入射光線61而獲得。
圖11表示菲涅耳透鏡54的一個(gè)區(qū)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。在這個(gè)圖中，用于表面a，b，c，和用于夾角α、β、ζ和ζlim的符號(hào)與圖4b所示的符號(hào)相同。
根據(jù)菲涅耳透鏡54的實(shí)施例，在菲涅耳透鏡的第一區(qū)域，該區(qū)域的折射屈光器的表面c平行于在菲涅耳透鏡54的平面表面110上反射寄生入射光線112獲得的寄生入射光線1120的入射光束。因此，夾角β等于寄生光線1120的入射角θ′int。
在考慮的區(qū)，成像入射光線113通過在平面表面110上入射分成兩束光線，即，通過在平面表面110上反射光線113獲得的成像入射光束1130，和通過在平面表面110上反射獲得的寄生光線1132。入射光線113和寄生光線1132與平面表面110的法線成夾角θext1。入射光線112形成小于θext1的夾角θ′ext1。
成像入射光線1130形成大于θ′int的入射角θint(θint和θ′int直接取決于夾角θext1和θ′ext1，作為用于菲涅耳透鏡材料的指數(shù)函數(shù))。因此，它照射考慮的折射屈光器的表面b，并且被表面b折射，形成平行于XX′軸的輸出光線1131(輸出角是θout為零)。
根據(jù)所述實(shí)施例，因?yàn)楸砻鎐平行于寄生入射光線1120，后者也照射考慮的折射屈光器的表面b，并且被表面b折射，形成不平行于XX′軸的輸出光線1121(輸出角是θ′out不為零)。
根據(jù)本發(fā)明可替換實(shí)施例，夾角β位于等于θ′int減10度的下限和等于θ′int加2的上限之間。因此，對(duì)光束孔徑設(shè)置10度的公差。也允許大約2°的寄生光束公差。因?yàn)閵A角β小于入射角θ′int加2°，消除大多數(shù)寄生光線。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，考慮緊公差和下限等于θ′int減5度。越大的β越容易加工。較小的β，消除更多的寄生光線。而且，根據(jù)又一其它實(shí)施例(其可以結(jié)合上述對(duì)應(yīng)于具體低限的上述實(shí)施例)，上限等于入射角θ′int，以便去除通過在折疊反射鏡53上反射獲得的所有寄生光線。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，夾角β大于5度，優(yōu)選大于10度。因此，寄生光線(parasitic ray)顧及了寄生光線的適度或大入射角。
圖15圖示在黑底58和散射板59的詳細(xì)頂視圖的折射光線1121和1131的路徑。
黑底包括與透明帶分開的垂直黑色帶或吸收帶116；和垂直柱面透鏡115，其將成像光束的聚焦光線117聚焦到透明帶上和將大多數(shù)寄生光線118聚焦在黑色帶116上。
因此，成像光束通過散射板59朝觀眾散射，而大多數(shù)寄生光線得到消除。特別是，散射板通過向上或向下散射它們消除一些寄生光線，從而它們不會(huì)被面向投影儀的觀眾看見。
根據(jù)本發(fā)明的可替換實(shí)施例，除了黑底58之外或代替黑底58，用于濾除寄生光線的裝置包括，具有與透明區(qū)分開的同心圓黑色帶的濾光片。該濾光片放在透鏡54和黑底58之間或透鏡54和散射板59(沒有黑底58)之間。透明區(qū)位于面對(duì)折射屈光器的每個(gè)表面b，從而讓被菲涅耳透鏡折射的這些圖像光束的光線通過。吸收帶或黑色帶放在兩個(gè)透明區(qū)之間，以便消除能夠透入該區(qū)的寄生光線(諸如光線118或1121)。
為了保持夾角ζ在其加工限度值ζlim，透鏡54包括取決于夾角α和β的三個(gè)區(qū)，其與關(guān)于圖5a-5d描述的類似。然而，應(yīng)該指出，夾角β的值取決于寄生入射光線的入射角，并不取決于直接入射光線的入射角。因此，提供下列區(qū)位于菲涅耳透鏡光學(xué)中心最近的第一區(qū)Z1，其中通過在透鏡的平面表面、然后在折疊反射鏡上反射來自光源PR的光線獲得的寄生光線的入射角較小，其中提供輸出光束平行于XX′軸的區(qū)結(jié)構(gòu)光束的輸出角θout相對(duì)于平面P(θout＝0°)的法線為零。夾角ζ的值小于極限值ζlim。夾角α，β和ζ的值取決于入射角θint和θ′int，因此，它們?nèi)缦娄粒絘rcsin{(nsinθint)/[(1-ncosθint)2+(nsinθint)2]1/2}β＝θ′int
ζ＝90-α+β，和ζ≥ζlim中間區(qū)Z2，其中輸出光束相對(duì)于XX′軸向稍微發(fā)散，發(fā)散角θout小于預(yù)定最大值θmax。夾角等于極限值。因此，在該區(qū)，夾角α，β和ζ的值如下α＝90-ζlim+ββ＝θintζ＝ζlim區(qū)Z3離透鏡的光學(xué)中心最遠(yuǎn)，在該區(qū)來自PR的光線的入射角最大，并且光束相對(duì)于XX′軸向稍微發(fā)散，發(fā)散角θout等于預(yù)定最大發(fā)散值θmax。
(θout＝θmax)夾角等于極限值。因此，在該區(qū)，夾角α，β和ζ的值如下α＝arctan[(nsinθint-sinθmax)/(ncosθint-cosθmax)]β＝ζ-90+αζ＝ζlim作為實(shí)施例，例如，尺寸為1107mm×622mm的16/9格式的菲涅耳透鏡，用直徑1.81米和焦距為462mm的“透鏡”(模具)加工，并且照明光源PR與屏幕的光軸偏離410mm，可以具有在12°和63°之間變化的入射角θext。
圖13和14分別圖示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特定實(shí)施例的一種背投單元5的菲涅耳透鏡54和折疊反射鏡53的側(cè)視圖和正視圖。根據(jù)這種類型，菲涅耳透鏡54的區(qū)Z1分成三個(gè)部分下部542和上部540，其中每個(gè)折射屈光器的表面c平行于直接入射光線夾角β等于夾角θint。因此，屬于540部分或542部分的折射屈光器如圖4b所示；和中間部分541，其中每個(gè)折射屈光器的表面c平行于在菲涅耳透鏡54的平面表面、然后在折疊反射鏡53上直接入射光獲得的寄生入射光夾角β等于夾角θ′int。屬于541部分的折射屈光器如圖11所示。
中間部分541對(duì)應(yīng)于能夠接收寄生入射光的部分菲涅耳透鏡54，如上所述。因此，由點(diǎn)G所在的圓弧限定底部。點(diǎn)G是通過在菲涅耳透鏡54的下極限(點(diǎn)F)、然后在折疊反射鏡53上反射直接入射光57獲得的寄生光線130、在菲涅耳透鏡54上的入射點(diǎn)。
同樣，中間區(qū)541的頂部由點(diǎn)D和D″所在的圓弧限定。點(diǎn)D(分別地D″)是通過在菲涅耳透鏡54的點(diǎn)B(分別在點(diǎn)B″)、然后在折疊反射鏡53的點(diǎn)C(分別地C″)的上部角反射直接入射光140獲得的寄生光線141、在菲涅耳透鏡54上的入射點(diǎn)。
在直接入射光在菲涅耳透鏡54的點(diǎn)D′、然后在折疊反射鏡53的上限的點(diǎn)C′反射后，位于菲涅耳透鏡54法線的對(duì)稱平面上的寄生入射光132在中心上部的點(diǎn)D′照射菲涅耳透鏡54。為了容易加工或模制的原因，點(diǎn)D′位于標(biāo)記部分541上限的點(diǎn)E′下面的部分541內(nèi)。點(diǎn)E′位于與點(diǎn)D′和D″相同的圓形折射屈光器上。因?yàn)檎郫B反射鏡53是矩形的，因此，點(diǎn)D′不在區(qū)540的極限上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，中間部分541延伸超過寄生光線的可能目標(biāo)區(qū)。特別是，它可以覆蓋透鏡54的整個(gè)下部，并且包括上面限定的部分541的等同部分，和部分542和/或540的等同部分。那么夾角β等于寄生光線的夾角θ′int，寄生光線通過在菲涅耳透鏡54的平面表面所在的平面、然后在折疊反射鏡53所在的平面上反射來自照明光源PR的光束而獲得。這實(shí)際上是延伸產(chǎn)生寄生光線的反射表面。
圖12圖示折射屈光器的各個(gè)夾角(表示沿軸線121的讀數(shù))作為屬于圓形折射結(jié)構(gòu)的半徑r的函數(shù)，沿軸線120，距離用毫米表示。
曲線126和124分別表示和θint的值。
因此，對(duì)于小于75mm的距離r用曲線123表示的β與小于θint的θ′int相符(部分541)；那么β與θint相符；和用曲線125表示的ζ作為α和β的函數(shù)，根據(jù)等式ζ＝β+90-α變化。
在相應(yīng)于區(qū)Z1所表示的區(qū)中，用曲線122表示的成像光束的輸出角θout為零。
應(yīng)該指出，因?yàn)閮?yōu)選系統(tǒng)偏軸，被投影的物體和所投影的圖像不在軸上。因此，曲線用于嚴(yán)格限定半徑r為正值。
當(dāng)然，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員特別使本發(fā)明適合于具有不同結(jié)構(gòu)的背投單元，特別是具有不必要平面的折疊反射鏡的單元，特別是非球面反射鏡。在包括成像光源、菲涅耳透鏡和至少一個(gè)返回反射鏡的系統(tǒng)中，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，菲涅耳透鏡至少包括一部分，其中夾角β(折射屈光器的光學(xué)無用表面提供入射平面的法線)等于寄生光線的入射角，寄生光線通過在菲涅耳透鏡、然后在返回反射鏡上反射獲得。因此，這些寄生光線的入射角明確地定義為進(jìn)入的成像光束、最后的折疊反射鏡相對(duì)于菲涅耳透鏡的位置、和最后的折疊反射鏡的函數(shù)。
而且，在該實(shí)施例中，當(dāng)折疊反射鏡是平面時(shí)，它不必平行菲涅耳透鏡。
同樣，根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，取決于折射屈光器的最大加工夾角ζlim，菲涅耳透鏡包括上述區(qū)Z1、Z2和Z3的組合或區(qū)Z1和Z2的組合，或當(dāng)加工極限值允許時(shí)，優(yōu)選只有區(qū)Z1，可以將區(qū)Z1分成幾個(gè)部分(每個(gè)部分對(duì)應(yīng)于夾角β的一個(gè)值，作為入射光線的入射角的函數(shù)，入射光線不是直接入射光線，就是寄生入射光線)。
權(quán)利要求
1.一種菲涅耳透鏡，包括位于一平面(P)的第一表面(f1)；和與該表面相反的第二表面，其平行于第一表面；并包括圓形同心折射結(jié)構(gòu)，每個(gè)折射結(jié)構(gòu)定義如下第一面(b)，用于形成折射屈光器，并與所述平面(P)形成第一夾角(α)，和第二面，沒有光學(xué)目的，并與所述平面(P)的法線形成第二夾角(β)，每個(gè)所述結(jié)構(gòu)用于被光束照明，光束與所述平面(P)的法線形成不同于零度的入射角(θint)，其特征在于，第二表面至少具有分布在所述同心折射結(jié)構(gòu)的中心和所述菲涅耳透鏡的周邊之間的兩個(gè)折射結(jié)構(gòu)區(qū)靠近所述中心的第一區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即所述折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所述透鏡的所定義方向(XX′)形成零度夾角(θout)的方向折射所述光束，和每個(gè)第二面的第二夾角(β)等于所述入射角(θint)；第二區(qū)，其中所述每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即所述折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成小于最大值(θmax)的非零度夾角(θout)的方向折射所述光束，和所述每個(gè)第二面的第二夾角(β)等于所述入射角(θint)。
2.如權(quán)利要求1所述的菲涅耳透鏡，其特征在于，至少還包括位于所述第二區(qū)和所述透鏡周邊之間的第三區(qū)，其中所述第三區(qū)中所述每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即所述折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成等于所述最大值(θmax)的非零度夾角(θout)的方向折射光；和所述每個(gè)第二面的第二夾角(β)大于所述入射角(θint)。
3.如權(quán)利要求2所述的菲涅耳透鏡，其特征在于，每個(gè)第一面與每個(gè)相鄰第二面形成蝕刻角(ζ)，該角度在所述第二區(qū)和所述第三區(qū)具有特定值(ζlim)，在所述第一區(qū)具有大于該特定值的值。
4.如權(quán)利要求3所述的菲涅耳透鏡，其特征在于，所述蝕刻角(ζ)的特定值(ζlim)小于70°。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的菲涅耳透鏡，其特征在于，所述第一表面是平面。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的菲涅耳透鏡，其特征在于，所述第一表面接受用于入射光束的高入射角的優(yōu)化的抗反射處理。
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的菲涅耳透鏡，其特征在于，至多等于所述透鏡上的點(diǎn)的焦距與該點(diǎn)離開所述透鏡的軸的距離的比率的兩倍的數(shù)值孔徑(或f數(shù))等于或小于0.55。
8.一種圖像背投屏，包括入射面和指向觀眾的出射面，其特征在于，它包括根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的菲涅耳透鏡，并且該菲涅耳透鏡沿屏幕的入射面設(shè)置，具有所述折射結(jié)構(gòu)的透鏡表面朝向所述屏幕出射面。
9.一種用于圖像投影的系統(tǒng)，包括產(chǎn)生成像光束的光源；菲涅耳透鏡；和成像光束偏轉(zhuǎn)反射鏡，用于將所述成像光束送回到所述菲涅耳透鏡；該菲涅耳透鏡具有位于一平面(P)的第一表面(f1)；和與該表面相反、平行于第一表面并具有圓形同心折射結(jié)構(gòu)的第二表面，每個(gè)折射結(jié)構(gòu)被第一面(b)和第二面限定，所述第一面(b)用于形成折射屈光器，并與所述平面(P)形成第一夾角(α)，所述第二面沒有光學(xué)目的，并與所述平面(P)的法線形成第二夾角(β)，其特征在于形成一第一組結(jié)構(gòu)的所述結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)部分用于被下面的光束照明第一光束，稱為直接光束，其從所述成像光束發(fā)出且不被所述第一表面反射，由于所述直接光束透過所述菲涅耳透鏡，所述直接光束形成第一入射光束；和第二光束，稱為寄生光束，其從所述成像光束發(fā)出且被所述第一表面反射，然后被所述偏轉(zhuǎn)反射鏡反射，由于所述寄生光束透過所述菲涅耳透鏡，所述寄生光束形成第二入射光束；所述第二入射光束與所述平面(P)的法線形成不同于零度的入射角(θ′int)，所述第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)大于所述第二入射光束的所述入射角(θ′int)減10度；并且所述第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)小于一上限，該上限等于所述第二入射光束的所述入射角(θ′int)加2度。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)大于5度。
11.如權(quán)利要求9和10任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于所述第二入射光束的所述入射角(θ′int)。
12.如權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述菲涅耳透鏡至少包括兩部分，包括第一部分，其中所述第一組的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于所述第二入射光束的所述入射角(θ′int)；和第二部分，其中所述第二組結(jié)構(gòu)的每個(gè)結(jié)構(gòu)的第二表面的第二夾角(β)等于所述第一入射光束的所述入射角(θint)。
13.如權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二表面至少包括分布在所述同心折射結(jié)構(gòu)的中心和所述菲涅耳透鏡的周邊之間的兩個(gè)折射結(jié)構(gòu)區(qū)靠近所述中心的第一區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即所述折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成零度夾角(θout)的方向折射所述第一入射光束，和第二區(qū)，其中每個(gè)第一面的第一夾角(α)是這樣，即所述折射結(jié)構(gòu)沿相對(duì)于所定義方向(XX′)形成小于最大值(θmax)的非零度夾角(θout)的方向折射所述第一入射光束。
14.如權(quán)利要求9-13任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括含有濾光裝置的微透鏡屏，所述濾光裝置對(duì)被所述菲涅耳透鏡折射的第一入射光線是透明的，并濾除被所述菲涅耳透鏡折射的第二入射光線，所述濾光裝置與所述菲涅耳透鏡并置。
15.如權(quán)利要求9-14任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，它包括圖像背投屏，該圖像背投屏包括入射面和指向觀眾的出射面，所述屏幕包括所述菲涅耳透鏡，該菲涅耳透鏡沿屏幕的入射面設(shè)置，具有所述折射結(jié)構(gòu)的透鏡表面指向所述屏幕出射面。
16.如權(quán)利要求9-15任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，至多等于所述透鏡上的點(diǎn)的焦距與該點(diǎn)離開所述菲涅耳透鏡的光軸的距離的比率的兩倍的數(shù)值孔徑(或f數(shù))等于或小于0.55。
17.一種背投單元，其特征在于，它包括如權(quán)利要求8所述的背投屏或如權(quán)利要求9-16所述的系統(tǒng)；和投影儀(PR)，其朝所述屏幕或所述系統(tǒng)的菲涅耳透鏡發(fā)射光束。
18.如權(quán)利要求17所述的背投單元，其特征在于，所述投影儀放在所述菲涅耳透鏡的軸線上，并將圖像僅投影到位于其軸線一側(cè)的所述菲涅耳透鏡的一部分上。
全文摘要
本發(fā)明涉及菲涅耳透鏡。透鏡的每個(gè)折射結(jié)構(gòu)由兩個(gè)面限定，第二面與入射平面(P)的法線形成第二夾角(β)。至少具有兩個(gè)折射結(jié)構(gòu)區(qū)，其中第二夾角(β)等于光束的入射角(θ
文檔編號(hào)G02B3/10GK1791809SQ200480013888
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者阿爾諾·舒伯特, 帕斯卡爾·貝努特 申請(qǐng)人:湯姆森特許公司