菲涅耳透鏡片的製作方法
2023-07-05 21:54:26
專利名稱：菲涅耳透鏡片的製作方法
技術領域：
本發明涉及背面投射型圖像顯示裝置中使用的菲涅耳透鏡片。
背面投射型圖像顯示裝置(以下，有時稱為「透射型PTV」)是通過使用投射透鏡將來自陰極射線管(以下，有時稱為「CRT」)、液晶面板等的光學圖像從屏幕的背面進行放大及投射來顯示大畫面的圖像的圖像顯示裝置。在
圖10中示出這樣的透射型PTV的結構。在CRT方式中，如該圖中所示，投射透鏡2將紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)這3色的CRT1投射的光學圖像放大，被放大的光學圖像在屏幕3上成像。在此，屏幕3一般使用由具有使光線在觀察者的方向上聚光的功能的菲涅耳透鏡片4和具有使來自菲涅耳透鏡片4的光線在水平方向和垂直方向上發散的功能的雙凸透鏡片6構成的結構。
在背面投射型圖像顯示裝置的屏幕中使用的菲涅耳(Fresnel)透鏡片4，如圖11中示意性地示出的那樣，具有將凸透鏡(圖11(A))的透鏡面分割為同心圓狀並將其配置在平板上的結構(圖11(B))，起到凸透鏡的作用。在菲涅耳透鏡片4的透鏡面上存在相當於凸透鏡的透鏡面的菲涅耳面4x和位於被分割的各菲涅耳面間的的上升(rising)面4y。而且，如圖12中所示，將與菲涅耳透鏡片4的透鏡片面5平行的直線(在圖12中用點劃線示出)與菲涅耳面4x的夾角稱為菲涅耳角η，將菲涅耳透鏡片4的法線方向與上升面4y的夾角稱為上升角θ。
另一方面，如圖13中示出其斜視圖那樣，將在垂直方向上延伸的多個雙凸透鏡7排列起來而構成雙凸透鏡片6，由此，光線在水平方向發散。此外，在觀察者一側設置了在垂直方向上延伸的黑條8，由此，通過吸收不需要的光改善了對比度。以相等的周期來排列上述雙凸透鏡7和黑條8。
菲涅耳透鏡片通常用2P(Photo-polymer光聚合物)法或衝壓法來製造，在這兩種方法中使用了用車床對金屬板等進行切削以形成恆定間距的槽而得到的金屬模具。在上述金屬模具的切削中，使用具有約30°～90°的刀尖角的車刀。在圖14中示意性地示出用車刀切削金屬模具時的狀況。利用由車刀9的前端9a切削的面(在圖14中示出的金屬模具10的面y)形成菲涅耳透鏡的上升面，利用由車刀9的切削麵9b切削的面(在圖14中示出的面x)形成菲涅耳透鏡的菲涅耳面。
在使用車刀的金屬模具的切削時，產生車刀的磨損、金屬模具的變形等，往往有切削剛開始後被切削的金屬模具的切削麵的形狀與切削剛結束前被切削的金屬模具的切削麵的形狀不同的情況。此外，在利用2P法或衝壓法製造菲涅耳透鏡片時，也有不能準確地複製金屬模具的形狀的情況。在上述哪一種情況下製造的菲涅耳透鏡片的菲涅耳面的形狀與按照在光學方面成為最佳而設計的設計值的形狀存在微小的差別。這樣，由於不能得到如設計值那樣的菲涅耳透鏡片的菲涅耳面的形狀，故往往發生非預期的、不需要的光線。如果該不需要的光線在菲涅耳透鏡片的中央附近(同心圓的中心附近)發生，則對觀察者來說成為不舒服的亮度不勻而能看到(以下，有時將該亮度不勻稱為「白色斑點white spot」)。例如，對透射型PTV輸入全白色信號，站在離正面1.5m的位置上觀察屏幕時，有時在菲涅耳透鏡片的同心圓的中心的稍上方在直徑為5mm至15mm的位置上可觀察到橢圓狀的白色斑點。
但是，一般來說，將菲涅耳透鏡片中的同心圓狀透鏡的恆定的間距(將其簡稱為「PF」)與雙凸透鏡片中的雙凸透鏡的恆定的排列周期(將其簡稱為「PL」)的比設定為可減輕波紋(moire)的發生那樣的值。例如，在特開昭59-95525號公報中，記載了通過將PF與PL的比設定為N+0.35～0.43或1/(N+0.35～0.43)(其中，N是2～12的自然數)的範圍內可降低波紋的情況。
近年來，為了與高清晰度電視等高圖像質量的圖像相對應，減小了雙凸透鏡的排列周期，為了避免波紋的發生，與其相一致地也進行了菲涅耳透鏡片中的同心圓狀透鏡間距的微細化。如果進行菲涅耳透鏡片中的同心圓狀透鏡間距的微細化，則每單位長度的菲涅耳透鏡片的同心圓狀槽的條數增加，成為白色斑點的原因的使不需要的光線發生的菲涅耳面變形部也增加。因而，伴隨菲涅耳透鏡片中設置的恆定間距的透鏡的微細化的進展，白色斑點的問題變得越來越重要了。
本發明是鑑於上述的問題而進行的，其目的在於提供這樣一種菲涅耳透鏡片，它使菲涅耳透鏡片的同心圓狀透鏡的中心附近發生的不需要的光線減少，可消除在屏幕中心部的白色斑點的發生。
解決上述的問題的本發明的菲涅耳透鏡片是在背面投射型圖像顯示裝置的屏幕中使用的菲涅耳透鏡片，其特徵在於菲涅耳透鏡片中的同心圓狀菲涅耳透鏡的透鏡間距在同心圓的中心部與在菲涅耳透鏡片的周邊部中是不同的，在該中心部的透鏡間距比在該周邊部的透鏡間距大。在此，一般來說，上述的中心部是離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離為不到20mm的區域，周邊部是上述中心部的外周部分。而且，本發明在上述的中心部(離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離為不到20mm的區域)中的透鏡間距為0.1mm以上的情況下特別有效。例如，通過設置根據離中心的距離同心圓狀菲涅耳透鏡的透鏡間距連續地或分段地(呈階梯狀)減小的區域，能使同心圓狀菲涅耳透鏡的中心部中的透鏡間距比在周邊部中的透鏡間距增大，但此時根據離中心的距離透鏡間距連續地或分段地減小的區域只是一部分，在其它的區域中，與離中心的距離無關，透鏡間距也可以是恆定的。在本發明的菲涅耳透鏡片的中心部中的透鏡間距最好比組合在一起用於背面投射型圖像顯示裝置的雙凸透鏡片的透鏡間距小。
圖1是示出菲涅耳透鏡周邊部的光線的路徑的圖。
圖2是示出菲涅耳透鏡中心部附近的光線的路徑的圖。
圖3是示出存在變形部時的菲涅耳透鏡周邊部的光線的路徑的圖。
圖4是示出存在變形部時的菲涅耳透鏡中心部附近的光線的路徑的圖。
圖5是示出透射型PTV屏幕的波紋的發生位置的概略圖。
圖6是說明菲涅耳透鏡片中發生的明暗條紋的圖。
圖7是示出本發明的各實施例中的菲涅耳透鏡片的離菲涅耳透鏡中心的距離(菲涅耳半徑)與菲涅耳透鏡間距的關係的圖。
圖8是示出比較例中的菲涅耳透鏡片的離菲涅耳透鏡中心的距離與菲涅耳透鏡間距的關係的圖。
圖9是示出各實施例和比較例的菲涅耳透鏡片中的中心部的上升面形狀的圖。
圖10是使用了背面透射型屏幕的透射型PTV的概略構成圖。
圖11是示意性地示出菲涅耳透鏡片的剖面的圖。
圖12是菲涅耳透鏡片的局部放大剖面圖。
圖13是雙凸透鏡片的概略斜視圖。
圖14是製造菲涅耳透鏡片用的金屬模具的切削時的示意圖。
如上所述，由於在金屬模具的切削時產生的車刀的磨損、金屬模具的變形、因2P法等引起的在菲涅耳透鏡片的製造時不能準確地複製金屬模具的形狀的情況，故不能得到如設計值那樣的菲涅耳透鏡片的菲涅耳面的形狀，往往發生非預期的、不需要的光線在菲涅耳透鏡中心附近發生明亮的不需要的光線的原因，如以下所說明。
首先，如圖11中所示，在屏幕中使用的菲涅耳透鏡片4具有將凸透鏡的透鏡面分割為同心圓狀並將其配置在平板上的結構。在圖1中示出入射到菲涅耳透鏡片的周邊部上的來自CRT等的光線的路徑，在圖2中示出入射到菲涅耳透鏡片的中心部上的光線的路徑。從作為透射型PTV的構成圖的圖10可容易地理解，入射到菲涅耳透鏡的周邊部上的光線(圖1的光線L1)以比入射到菲涅耳透鏡的中心部上的光線(圖2的光線L2)大的入射角度入射到菲涅耳透鏡上。因為被菲涅耳透鏡的上升面4y遮住的光線L1或L2不到達菲涅耳面4x，故光線不通過在圖1中用W1示出的區域、在圖2中用W2示出的區域。如果比較圖1的W1的長度與圖2的W2的長度，則可明白，光線不通過的區域的寬度在菲涅耳透鏡的中心部比在菲涅耳透鏡的周邊部窄。在圖5中，如果用D表示光線不通過的區域的寬度，用B表示光線通過的區域的寬度，則相對於透鏡間距P的光線不通過的區域的寬度D的比率在菲涅耳透鏡的中心部是接近於0％的值，但在一般的菲涅耳透鏡片的周邊部，該比率約為50％。
由於在金屬模具的切削時的車刀的磨損、金屬模具的變形、因2P法等引起的在菲涅耳透鏡片的製造時不能準確地複製金屬模具的形狀的情況菲涅耳透鏡的形狀偏離設計值的程度(大小)不隨菲涅耳透鏡的位置不同而有特別的差別，在菲涅耳透鏡的中心部和周邊部，其大小不變。在此，如示出菲涅耳透鏡的周邊部的圖3、示出菲涅耳透鏡的中心部的圖4中都用4z表示的那樣，在菲涅耳透鏡的中心部和周邊部中產生相同的大小的偏離菲涅耳透鏡形狀的設計值的偏移，假定產生了變形部4z。因為光線不通過的區域的寬度在菲涅耳透鏡的中心部比在菲涅耳透鏡的周邊部窄，故在示出菲涅耳透鏡的周邊部的圖3中，變形部4z容納於光線不通過的區域W1的範圍內，變形部4z存在這一點對菲涅耳透鏡片的光學性能沒有任何影響。另一方面，在光線不通過的區域較窄的中心部(圖4)中，變形部4z超過了光線不通過的區域W2。因而，光線L2的一部分通過變形部4z，發生非預期的、不需要的光線L3。這樣，在菲涅耳透鏡的中心部和周邊部中，起因於光線不通過的區域的大小原來就不同這一點，在菲涅耳透鏡的中心部中，與周邊部相比，容易發生非預期的、不需要的光線。
本發明的菲涅耳透鏡片在透鏡間距很微細的情況下，起到特別好的效果。以下說明其原因。
一般認為，不需要的光線與菲涅耳透鏡片中產生的微小的變形部的密度(每單位面積的變形部所佔的面積)成正比而增加。而且，一般認為，菲涅耳透鏡片中產生的微小變形部的密度與菲涅耳透鏡片每單位長度的同心圓狀槽的條數成正比。因而，菲涅耳透鏡的透鏡間距被微細化的同時，不需要的光線的發生就增加。但是，一般來說，在透射型PTV的屏幕中，將菲涅耳透鏡片與雙凸透鏡片組合起來使用。因而，在菲涅耳透鏡片中發生的不需要的光線L3不是按原樣到達觀察者而被觀察到，而是由雙凸透鏡片在水平方向和垂直方向上發散。通過用雙凸透鏡片使光線發散，有時觀察者的眼睛不能覺察到白色斑點。
下述的表1示出了對於透射型PTV的一例、將雙凸透鏡片與具有各自不同的恆定的透鏡間距的5種菲涅耳透鏡片組合起來觀察白色斑點的外觀的結果。由此可知，菲涅耳透鏡片的透鏡間距的大小與白色斑點的外觀之間有關，在對透鏡間距進行微細化使得菲涅耳透鏡間距為0.1mm以下的情況下，容易看到白色斑點。
表1
○觀察不到白色斑點△可稍許觀察到白色斑點×可顯著地觀察到白色斑點近年來，由於進行了因高清晰度電視等引起的圖像的高精細化，故進行了雙凸透鏡片的透鏡間距的微細化。與此相隨，也必須進行菲涅耳透鏡片的透鏡間距的微細化。在現有的菲涅耳透鏡片中，透鏡間距是約0.1mm～0.15mm的恆定值，與此不同，為了與圖像的高精細化對應，已開發的菲涅耳透鏡片的透鏡間距大致不到0.1mm。在這樣的微小的透鏡間距的菲涅耳透鏡片中，如表1中所示，存在容易看到白色斑點的趨勢。
因而，在具有這樣的微小的透鏡間距的菲涅耳透鏡片中，最好應用減小外周部的透鏡間距的本發明。在離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離為不到20mm的區域、即中心部中的透鏡間距為0.1mm以上、在離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離為30mm以上的區域、即周邊部中的透鏡間距為0.15mm以下的情況下，本發明特別有效。
在本發明中，由於在菲涅耳透鏡片上形成不同的間距的透鏡，故產生透鏡間距變化的區域。如果使透鏡間距急劇地變化，則觀察到因不同的菲涅耳透鏡形狀鄰接引起的不舒服的明暗，故是不理想的。因而，本發明的菲涅耳透鏡片最好具有根據離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離同心圓狀菲涅耳透鏡的透鏡間距連續地減小的區域，但也可具有根據離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離呈階梯狀地減小的區域，此時，最好形成儘可能多的階梯來減小透鏡間距變化的程度。
再有，在透射型PTV的屏幕上被觀察到的波紋的位置，如圖6中所示，只在水平方向的周邊部(在圖6中用11示出波紋)，在屏幕的中心部附近觀察不到波紋。波紋是由於在菲涅耳透鏡片和雙凸透鏡片中分別產生明暗條紋而發生的。即，在雙凸透鏡片中，周期性地設置了如圖13中示出的在垂直方向上延伸的黑條8。由此，在雙凸透鏡片的水平方向上產生周期性的明暗條紋。此外，如上所述，由於在菲涅耳透鏡片中存在光線不通過的區域，故發生明暗的條紋。由於該菲涅耳透鏡片的同心圓狀的明暗和雙凸透鏡片的水平方向的周期性的暗線的緣故，在水平方向上發生波紋。而且，在菲涅耳透鏡片的中心部中，由於菲涅耳透鏡的光線不通過的區域少，故難以觀察到波紋。因而，在菲涅耳透鏡中心部中，沒有利用與雙凸透鏡片的黑條周期的關係，將透鏡間距設定為不發生波紋那樣的條件的必要。因而，根據本發明，在使菲涅耳透鏡片的同心圓狀的菲涅耳透鏡的透鏡間距在同心圓的中心部和周邊部中不同的情況下，也將菲涅耳透鏡片的周邊部的透鏡間距設定為不使波紋產生的值，即可。但是，在雙凸透鏡片的間距與菲涅耳透鏡片的透鏡間距相等的情況下，由於即使在中心部觀察到波紋，故使菲涅耳透鏡的間距比與其組合起來使用的雙凸透鏡片的間距小，也是較為理想的。
本發明的菲涅耳透鏡片與雙凸透鏡片組合起來構成屏幕，將CRT或液晶面板等、投射透鏡以及該屏幕組合起來構成透射型PTV。
以下，通過實施例，具體地說明本發明的菲涅耳透鏡片。在此，在投射距離為850mm的透射型PTV中使用的屏幕中，使用了本發明的菲涅耳透鏡片。與本發明的菲涅耳透鏡片組合起來的雙凸透鏡片的峰值增益為9.7。菲涅耳透鏡片中的菲涅耳透鏡的焦距從同心圓狀透鏡的中心朝向最外周從740mm到840mm逐漸變大。在圖7(A)～(E)中示出了以下的各實施例的菲涅耳透鏡片中的離菲涅耳透鏡的中心的距離(菲涅耳透鏡的半徑)與菲涅耳透鏡間距的關係。各實施例的菲涅耳透鏡片分別為下述的結構。再有，各實施例和比較例的菲涅耳透鏡片中的中心部的上升面形狀是圖9中示出的形狀，上升面的長度約為2μm。
(實施例1)在實施例1中，使用了這樣的菲涅耳透鏡片，在離菲涅耳透鏡的中心的距離為不到15mm的菲涅耳透鏡中心部中的透鏡間距為恆定值，在周邊部中透鏡間距線性地減少到某個值為止。具體地說，是這樣的菲涅耳透鏡片(圖7(A))，即，離菲涅耳透鏡的中心的距離從30mm到最外周部為止透鏡間距為0.07mm的恆定值，離菲涅耳透鏡的中心的距離到15mm為止透鏡間距為0.16mm的恆定值，離菲涅耳透鏡的中心的距離從15mm到30mm為止透鏡間距從0.16mm線性地變化到0.07mm。
(實施例2)在實施例2中，使用了這樣的菲涅耳透鏡片，在菲涅耳透鏡片的周邊部中透鏡間距為恆定值，根據離菲涅耳透鏡的中心的距離透鏡間距線性地減少到該恆定值為止。具體地說，是這樣的菲涅耳透鏡片(圖7(B))，即，在菲涅耳透鏡的中心處的透鏡間距為0.24mm，離菲涅耳透鏡的中心的距離從30mm到最外周部為止透鏡間距為0.07mm的恆定值，在這之間透鏡間距線性地變化。
(實施例3)
在實施例3中，使用了這樣的菲涅耳透鏡片，在離菲涅耳透鏡的中心的距離為不到15mm的菲涅耳透鏡中心部中的透鏡間距為恆定值，在周邊部中透鏡間距平滑地減少到某個值為止。具體地說，是這樣的菲涅耳透鏡片(圖7(C))，即，離菲涅耳透鏡的中心的距離從30mm到最外周部為止透鏡間距為0.07mm的恆定值，離菲涅耳透鏡的中心的距離到15mm為止透鏡間距為0.16mm的恆定值，離菲涅耳透鏡的中心的距離從15mm到30mm為止透鏡間距從0.16mm平滑地變化到0.07mm。
(實施例4)在實施例4中，使用了這樣的菲涅耳透鏡片，在菲涅耳透鏡片的周邊部中透鏡間距為恆定值，根據離菲涅耳透鏡的中心的距離透鏡間距平滑地減少到該恆定值為止。具體地說，是這樣的菲涅耳透鏡片(圖7(D))，即，在菲涅耳透鏡的中心處的透鏡間距為0.40mm，離菲涅耳透鏡的中心的距離從30mm到最外周部為止透鏡間距為0.07mm的恆定值，在這之間透鏡間距平滑地變化。
(實施例5)在實施例5中，使用了這樣的菲涅耳透鏡片，在菲涅耳透鏡片的周邊部中透鏡間距為恆定值，根據離菲涅耳透鏡的中心的距離透鏡間距呈階梯狀地減少到該恆定值為止。具體地說，是這樣的菲涅耳透鏡片(圖7(E))，即，在菲涅耳透鏡的中心處的透鏡間距為0.16mm，離菲涅耳透鏡的中心的距離從30mm到最外周部為止透鏡間距為0.07mm的恆定值，在這之間透鏡間距呈階梯狀地變化。
各實施例中的白色斑點和屏幕中心部附近的波紋的評價結果，如表2中所示。在表2中示出的評價結果是通過將本發明的菲涅耳透鏡片和雙凸透鏡片組合起來安裝在透射型PTV上、輸入標準電壓的全白色信號、在離屏幕的正面為1.5m的距離、高度約為1.5m的位置上觀察得到的。表2
○觀察不到白色斑點(波紋)×可顯著地觀察到白色斑點(比較例)在比較例中，使用了在菲涅耳透鏡片的整個面上透鏡間距為恆定值的菲涅耳透鏡片。具體地說，從菲涅耳透鏡的最外周部到菲涅耳透鏡中心為止的透鏡間距為0.07mm，是恆定的。
如表2中所示，在比較例中觀察到白色斑點，與此不同，在實施例1～5中觀察不到白色斑點。此外，與比較例相同，在實施例1～5中也觀察不到波紋。
如果是本發明的菲涅耳透鏡片，則可使菲涅耳透鏡片的同心圓狀透鏡的中心附近發生的不需要的光線減少，可消除在屏幕中心部處的白色斑點的發生。
權利要求
1.一種在背面投射型圖像顯示裝置的屏幕中使用的菲涅耳透鏡片，其特徵在於菲涅耳透鏡片中的同心圓狀菲涅耳透鏡的透鏡間距在同心圓的中心部與在菲涅耳透鏡片的周邊部中是不同的，在該中心部的透鏡間距比在該周邊部的透鏡間距大。
2.如權利要求1中所述的菲涅耳透鏡片，其特徵在於中心部是離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離為不到20mm的區域，該中心部中的透鏡間距為0.1mm以上。
3.如權利要求1或2中所述的菲涅耳透鏡片，其特徵在於具有根據離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離透鏡間距連續地減小的區域。
4.如權利要求1或2中所述的菲涅耳透鏡片，其特徵在於具有根據離同心圓狀菲涅耳透鏡的中心的距離透鏡間距呈階梯狀地減小的區域。
5.如權利要求1至4的任一項中所述的菲涅耳透鏡片，其特徵在於在中心部中的透鏡間距比組合在一起使用的雙凸透鏡片的透鏡間距小。
全文摘要
提供一種使菲涅耳透鏡片的同心圓狀透鏡的中心附近發生的不需要的光線減少並可消除在屏幕中心部的白色斑點的發生的菲涅耳透鏡片。該菲涅耳透鏡片用於背面投射型圖像顯示裝置的屏幕中,其中,菲涅耳透鏡片中的同心圓狀菲涅耳透鏡的透鏡間距在同心圓的中心部與在菲涅耳透鏡片的周邊部中是不同的,在該中心部的透鏡間距比在該周邊部的透鏡間距大。
文檔編號G02B3/08GK1255645SQ99125880
公開日2000年6月7日 申請日期1999年12月2日 優先權日1998年12月2日
發明者船崎一男, 小林秀樹 申請人:可樂麗股份有限公司