(57)【要約】  フレネルレンズは、入射光線を平行にし、プロジェクションスクリーンの投影光がより均一な明るさになるようにする。バルクミラーの必要がない角度からの入射光の向きを変え、および平行にすることで、オフアクシスＴＩＲフレネルレンズは、厚み、重量を減少し、かつリアプロジェクションシステムの使用を容易にする。しかし、オフアクシスＴＩＲフレネルレンズは、低解像度および低コントラストという難点がある。フレネルレンズの解像度は、入射光線が入り乱れるため、ファセット部ピッチサイズで制限される。フレネルレンズのコントラストは、フレネルレンズの入射側の面および出射側の面を通って入ってくる周囲光によって低下する。本発明は、改良かつ新規のオフアクシスフレネルレンズ構造を通して、これらおよびオフアクシスフレネルレンズの他の限界の解決に取り組む。
2008506154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の側面および第二の側面を有するレンズと、
前記第一の側面上の入射側の面および前記第二の側面上の出射側の面と、
フレネルレンズを定義する前記入射側の面上に配置され、複数の同心円形状で、外側に向かって広がる、全反射タイプのプリズムファセット部と、を備え、
各ファセット部は、外に向けて凸状の天面と、平面的な底面とを備え、
前記天面および前記底面がプリズムピークを形成するように交わるものであること、
を特徴とする、オフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２】
前記レンズは、プロジェクションスクリーン装置に組み込まれていることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項３】
前記プロジェクションスクリーン装置がプロジェクションテレビジョンシステムであることを特徴とする、請求項２のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項４】
各プリズムファセット部において、プリズム底面の角度が、プリズム天面の角度より小さいことを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項５】
各プリズムピークから前記フレネルレンズの前記出射側の面までの距離は、約０．５ｍｍから約５ｍｍまでであることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項６】
各プリズムファセット部の前記天面は、約１ｍｍから約２０ｍｍまでの半径を有する円孤で定義することを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項７】
プリズムファセット部のピッチは、約０．００５ｍｍから約１ｍｍまでであることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項８】
前記プリズムピークから前記入射側の面までの距離は、約０．０１ｍｍから約１ｍｍまでであることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項９】
前記プリズムピークから前記入射側の面までの距離は、レンズ光軸に最も近いファセット部にて最大であり、前記レンズ光軸から最も離れたファセット部にて最小となるまで、レンズ光軸から遠くなるにしたがって各ファセットの前記プリズムピークから前記入射側の面までの距離が徐々に減少することを特徴とする、請求項８のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１０】
入射光角は、約４２度から約７２度であることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１１】
前記入射光角は、レンズ光軸に最も近いファセット部にて最大であり、前記レンズ光軸から最も離れたファセット部にて最小となるまで、レンズ光軸から遠くなるにしたがって各ファセットの前記入射光角が徐々に減少することを特徴とする、請求項１０のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１２】
前記プリズム天面の角度は、約２９．６度から約３８．６度であることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１３】
前記プリズムの天面の角度は、レンズ光軸に最も近いファセット部にて最大であり、および、前記レンズ光軸から最も離れたファセット部にて最小となるまで、レンズ光軸から遠くなるにしたがって各ファセットの前記プリズムの天面の角度は徐々に減少することを特徴とする、請求項１２のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１４】
前記プリズムの底面の角度は、約１．７度から２．４度であることを特徴とする、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１５】
前記プリズムの底面の角度は、レンズ光軸に最も近いファセットにて最も小さく、および前記レンズ光軸に最も遠いファセットにて最も大きいことを特徴とする、請求項１４のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１６】
各プリズムピークの両側に隣接して配置された複数の平面的部を有し、各平面部分は不透明的であることを特徴とする請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１７】
前記プリズムと前記出射側の面との間に配置された不透明的領域で、前記不透明的領域は同心円形状の透明的部分を有し、前記透明的部分は各ファセット部天面で反射された入射光線を通過させることができる前記不透明領域を含む、請求項１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１８】
第一の側面および第二の側面を有するレンズと、
前記第一の側面上の入射側の面、および前記第二の側面の出射側の面と、
フレネルレンズを定義する前記入射側の面上に配置される、複数の同心円状で、外側に向かって広がる、全反射タイプのプリズムファセット部と、を備え、
各ファセット部は天面および底面を有し、その天面および底面は平面的であり、さらに、前記天面および前記底面はプリズムピークを形成するように交わる、
ことを特徴とするオフアクシスフレネルレンズであって、
各プリズムファセットの両側に隣接して配置された複数の平面的部を有し、各平面部分は不透明的であり、
前記プリズムと前記出射側の面との間に配置された不透明的領域があり、前記不透明的領域は同心円形状の透明的部分を有し、前記透明的部分は各ファセット部天面で反射された入射光線を通過させること、
を特徴とする、オフアクシスフレネルレンズ。
【請求項１９】
前記レンズは、プロジェクションスクリーン装置に組み込まれていることを特徴とする、請求項１８のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２０】
前記プロジェクションスクリーン装置は、プロジェクションテレビジョンシステムであることを特徴とする、請求項１９のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２１】
第一の側面および第二の側面を有するレンズと、
前記第一の側面上の入射側の面、前記第二の側面上の出射側の面と、
フレネルレンズを定義する前記入射側の面上に配置される、複数の同心円形状で、外側に向かって広がる、全反射タイプのプリズムファセット部と、を備え、
各ファセット部は、平面的な天面と、外に凸状である底面とを有し、および、前記天面と前記底面とがプリズムピークを形成するように交わるものであること、
を特徴とする、オフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２２】
前記レンズはプロジェクションスクリーン装置に組み込まれていることを特徴とする、請求項２１のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２３】
前記プロジェクションスクリーン装置は、プロジェクションテレビジョンシステムであることを特徴とする、請求項２２のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２４】
各プリズムファセットの両側に隣接して配置された複数の平面的部を有し、かつ、各平面部分は不透明的であることを特徴とする請求項２０のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２５】
前記プリズムと前記出射側の面との間に位置する不透明的領域であり、各ファセット部天面で反射された入射光を通過する同心円形状の透明的部分を有する不透明的領域を含む、請求項２０のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２６】
第一の側面および第二の側面を有するレンズと、
前記第一の側面上の入射側の面および前記第二の側面上の出射側の面と、
フレネルレンズで定義される前記入射側の面上に配置される、複数の同心円形状で、外側に向かって拡大する、全反射タイプのプリズムファセット部と、を備え、
各ファセット部は天面と底面を備え、その前記天面および前記底面は平面的であり、前記天面と前記底面とがプリズムピークを形成するように交わり、
さらに、前記第一の側面と前記第二の側面との間に設置される、不透明的および平行的なルーバーを備えることを特徴とする、オフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２７】
前記レンズはプロジェクションスクリーン装置に組み込まれていることを特徴とする、請求項２６のオフアクシスフレネルレンズ。
【請求項２８】
前記プロジェクションスクリーン装置は、プロジェクションテレビジョンシステムであることを特徴とする、請求項２７のオフアクシスフレネルレンズ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２００４年７月７日に出願された米国の仮出願第６０／５８５，６２１号に基づく優先権を主張する。この仮出願の内容は、参照によりこの出願に含まれる。
【０００２】
発明の背景
一般的に、プロジェクターは、光源にて像を生成し、そしてスクリーン上へ像を投影することによって、像を提供する。図１を参照すると、典型的なリアプロジェクションシステムまたは、プロジェクションスクリーン装置であり、典型的なリアプロジェクションシステムまたは、プロジェクションスクリーン装置は、キャビネット１１０、そのキャビネットの手前の面に設置され像を形成するスクリーン１４０、そのキャビネットの中に設置され像を生成かつ投影する光源１２０、および光源により入力された像をスクリーンへ向けて反射する反射鏡１００および１３０を有している。
【０００３】
上記の構造を有するリアプロジェクションシステムで、像はスクリーンの背面に投影され、そしてスクリーン上に生成されるので、スクリーン手前つまりキャビネット外面で閲覧される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のリアプロジェクションテレビジョンは、図１で表されるように、一般的にかさばり、重く、扱いにくく、かつ高価である。リアプロジェクションテレビジョンまたは、プロジェクションスクリーン装置は、投影技術を使用している平面パネルディスプレイを持つので、図２で表されるように、超薄型で、軽量および、より少数の部品を用いての原価を下げる可能性を有している。
【０００５】
リアプロジェクションスクリーンは、レンチキュラーレンズまたは、拡散部材（ディフューザ）または、レンチキュラーレンズと拡散部材との組み合わせから構成される。レンチキュラーレンズまたは、拡散部材または、レンチキュラーレンズと拡散部材の組み合わせは、いくつかの角度分布の入射光を分散ないし拡散させる。図３は、フレネルレンズなしのそのようなプロジェクションスクリーンである。スクリーン３１０の手前では、入射光３２０はある入射角を有している。スクリーンを越えると、分散光３３０の最も強い成分は入射方向の成分である。したがって、視聴者は、スクリーン上で変化する明度がわかり、一様でない像となる。その一様でない像の光は、スクリーンの中央が最も明るく、スクリーンの角では最も暗い。屈折型フレネルレンズで投影すると、図４で表されるように、そのフレネルレンズ４２０は、入射光４１０の向きを変える。それゆえにその入射角も、その分散光４３０の最も強い成分も、両方とも、プロジェクションスクリーン４４０に対して垂直である。これは、より均一な明度をスクリーンへもたらす。さらに、たとえ視聴者がスクリーンの端へ移動するときにも、異なる場所における明度のレベルは、より均一に減少する。
【０００６】
図５および６は、フレネルレンズを採用するプロジェクションテレビジョンを図示している。このようなプロジェクションテレビジョンは大きい奥行きを有する。図７および８は、より新しい従来のプロジェクションテレビジョンであり、オフアクシスフレネルレンズをもつ。そのようなプロジェクションテレビジョンの奥行きは、オフアクシスフレネルレンズによって相当薄い。なぜならそのオフアクシスフレネルレンズは、光源を下から出力することができるからである。
【０００７】
その一般的なフレネルレンズ構造は、ファセット間の溝の集合体または、溝間のファセットの集合体のいずれかとして概念化されることができる。図２２で示されるフレネルレンズの断面図を参考にして、フレネルレンズのファセット部は２つの角度で記述されることができる。表面角２２２０（“ファセット角”とも呼ばれる）は、隣り合う溝の面と面との間の角度として定義される。その溝角２２１０は、ひとつのファセット部の入射面（つまり底面）と、同一のファセット部の反射面（つまり天面）との間に成される角度である。本発明における、１つの曲面をもつファセット部の構造は、以下に述べられる。
【０００８】
図２１は、大きいフレネルレンズのセクションの概念図を示している。このセクションは、リアプロジェクションスクリーンに使用されることができる。このフレネルレンズは、複数の同心円形状ファセット部および溝部の中心に、一本の光軸２１３０を有する。その複数の同心円形状ファセット部および溝部は、所定のファセット角および溝角を有する。リアプロジェクションディスプレイ装置では、入射光は、そのレンズ面に対して垂直に入ってきて、そのプロジェクションレンズシステムの全レンズ面領域が使用され、フレネルレンズ４００の中心部２１２０は、ディスプレイ装置に、フレネルレンズとして使用される。破線の長方形２１２０は、フレネルレンズ２１００の中心部分からずれているスクリーンの表示を示している。そのフレネルレンズは、オフアクシスフレネルレンズとして使用され、斜めに入射光が入ってくる。使用されているレンズ部のサイズおよび形状は、ディスプレイ装置のスクリーンのサイズおよび形状に対応している。そのフレネルレンズ２１１０のその物理的中心は、大きいフレネルレンズ２１００の光軸２１３０からずれているため、その用語“オフアクシス”が、使用されている。オフアクシスレンズでは、切り離された部分のみが用いられる。オフアクシスレンズが切り取られた大きいフレネルレンズのどんな残された部分も、オフアクシスレンズとして使用されない。代わりに、生産技術が存在し、それによってフレネルレンズのオフアクシス部のみが製造される。
【０００９】
レンズの切り離された部分のみがオフアクシスフレネルレンズに使用されるが、オフアクシスレンズは、それでも一本の光軸を有していると考えられる。しかしながら、その光軸は、実際のレンズ上に現れないかもしれない。しかし、その位置は、延長体および、同心円弧状のファセット部および、フレネルレンズ体の溝から推定されるかもしれない。たとえば、オフアクシスフレネルレンズ２１１０は、たとえ光軸２１３０がそのレンズの下端にあるとしても、光軸２１３０を有している。その他の形態において、オフアクシスフレネルレンズの光軸は、さらに、略下部ないしはレンズの境界線の外にあるかもしれない。しかし、レンズ自体の上には見えないかもしれないが、オフアクシスフレネルレンズの光軸は、あらゆる同心円状円弧のファセット部によって示される円の半径を考慮することによって、推定されることができる。
【００１０】
図２０は、オフアクシスフレネルレンズを有するリアプロジェクションテレビジョンの側面図を表す。図２０（ａ）では、光源２０００はスクリーン２０１０の下側に位置している。スクリーン２０１０は高さＨであり、および、最小の光線角度Ｄから最大の光線角度Ｆの角度である、中間の光線角度Ｅで、入射光線はスクリーンの入射面にぶつかる。しかしながら、オフアクシスレンズは、光源がスクリーンの中央からずれているどんなプロジェクションシステムに用いられうる。図２０（ｂ）は、高さＨおよび幅Ｗのプロジェクションスクリーンの前面図を示す。実施例に関する、詳細なスクリーン構造の寸法および光の入射角は、図２０（ｃ）に示される。
【００１１】
図９は屈折タイプのプリズムの限定された屈折特性を表している。そしてそれによると、屈折角δは、プリズム角θの約半分である。そのベンディング角は、プリズム角の半分のみまでに制限されるので、プロジェクション角は限定され、そのプロジェクションシステムの薄さが制限される。加えて、θが大きい時に反射減衰は、大きくなる。光角と同様に減衰は、波長に依存し、それによってディスプレイスクリーン上でカラーシフトを引き起こす。
【００１２】
図１０は、反射タイプのプリズムの、より高いベンディング特性を説明している。これにより、“全反射（ＴＩＲ）”であるため、光は、ほとんどがプリズムと空気との境界で反射される。この種の全反射は、“全（ｔｏｔａｌ）”と称されているが、それは「完全」として解釈するべきではない。なぜなら、そのプリズム材料中の異物または不純物、空気または他物質との光の干渉、または当業者の技術で明らかであるだろう他の原因によって、わずかな反射減衰が起こるかもしれないからである。それにもかかわらず、ＴＩＲは１００％に近い反射効率を有している。そのベンディング角δは９０度に達することができるので、それによりプロジェクションシステムをもっと薄く作成することが可能である。低い反射減衰なので、より高い出力明度という結果になる。加えて、ベンディング角度および減衰は波長依存性がないので、実質的にカラーシフトがない。
【００１３】
図１１は、反射フレネルレンズが低い解像度および入り乱れた像を有することを示している。つまり、画像解像度は、ファセット部間の距離Σによって制限され、ピッチ毎のイメージは入り乱れる。くわえて、入射光線１１００中の連番１−２−３−４が、出射光線１１１０中では２−１−４−３になる。
【００１４】
フレネルレンズおよびプロジェクションスクリーンに関連する他の問題は、周辺光によって低下したコントラストである。プロジェクションスクリーン上では、暗い色は光の欠損によって表される。しかし、投影面上のあらゆる周辺光は、暗い色をより明るく表す原因となるので、コントラストを低下させる。この周辺光は、フレネルレンズの入射面または出射面から発生されうる。
【００１５】
したがって、高解像度で、画像が入り乱れる問題を改善し、かつ改善されたコントラストを有する反射フレネルレンズシステムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
フレネルレンズは、入射光線を平行にし、プロジェクションスクリーンの投影光がより均一な明るさになるようにする。バルクミラーの必要がない角度からの入射光の向きを変え、および平行にすることで、オフアクシスＴＩＲフレネルレンズは、厚み、重量を減少し、かつリアプロジェクションシステムの使用を容易にする。しかし、オフアクシスＴＩＲフレネルレンズは、低解像度および低コントラストという難点がある。フレネルレンズの解像度は、入射光線が入り乱れるため、ファセット部ピッチサイズで制限される。フレネルレンズのコントラストは、フレネルレンズの入射側の面および出射側の面を通って入ってくる周囲光によって低下する。本発明は、改良かつ新規のオフアクシスフレネルレンズ構造を通して、これらおよびオフアクシスフレネルレンズの他の限界の解決に取り組む。
【００１７】
ひとつの実施形態では、本発明は１つの入射側の面および１つの出射側の面を備えるオフアクシスフレネルレンズである。同心円状に、外側に向かって広がる、全反射タイププリズムファセットは、入射側の面に設置され、各ファセットは、外に凸状である天面および、平面的な底面を備える。他の実施形態では、その天面は、平面的でも良いし、およびその底面は、外面的に凸状でもよいし、またはその天面および底面の両方が平面であるかもしれない。その上述の実施形態は、さらに不透明層を備えてもよい。その不透明層は、プリズム構造体の入射側の面上においてファセット部の側面に隣接した平面部分に設置される。不透明層は、プリズムファセット部と出射側の面との間にも設置され、その不透明的層は、各ファセット部天面で反射された入射光が遮断されることなく通過可能な同心円状の透明的部分を有する。他の実施の形態では、不透明層は、フレネルレンズとプロジェクションスクリーンとの間にある、フレネルレンズの出射側の面上に設置されているかもしれない。さらに他の実施の形態では、その不透明層は、フレネルレンズの入射側の層および出射側の層との間の不透明ルーバーを形成して、水平に設置してもよい。これらの配置および不透明層の位置の組み合わせ、または制御された方法で選択的に入射光を遮断する他の構造物も、使用されるかもしれない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
詳細な説明
本発明の１つの実施の形態は、図１２および、より詳細な図１２（ａ）および１２（ｂ）で説明されているように、平面プリズムを用いた従来のＴＩＲフレネルレンズの設計で得られたものより高解像度を得る。そのフレネルレンズの前後の像は、同じ順序を有する。このような設計は、フレネルレンズのピッチ長の限界を上回る解像度を提供する。
【００１９】
図１２（ａ）は、フレネルレンズ１２４０の入射側の面の図を示している。複数のオフアクシスＴＩＲプリズムファセット部１２１０は、ファセット部ピッチΔを有し、フレネルレンズ１２４０の入射側の面上に同心円状に、並べられている。ある具体例では、そのファセット部ピッチは０．１ｍｍだが、そのファセット部ピッチは、０．００５ｍｍから１ｍｍの範囲内ならどの値でもかまわない。
【００２０】
図１２（ｂ）は、フレネルレンズ１２４０、プロジェクションスクリーン１２５０、およびファセット部１２１０の断面図を示している。そのファセット部１２１０は、天面１２００および底面１２２０を有する。入射光１２３０は、その底面を通って入り、天面１２００の下側で反射し、フレネルレンズ１２４０から出て、そしてプロジェクションスクリーン１２５０を通過する。天面１２００は、湾曲し、そのような天面は、入射光線１２３０の順番と出射光線１２７０の順序とが同じになるようにする。この湾曲面部は、プリズムの外面と異なり、外見上凸状であり、そして、光線が当たる内部的には、プリズムの内面と異なり、凹状である。この天面１２００の湾曲面部により、ファセット部の天面１２００に、ファセット部頂点１２６０へ最も近い部位で当たる入射光線が、ファセット部の天面にファセット部頂点１２６０からより離れた部位で当たる入射光線より、プロジェクションスクリーン１２５０上において方向５の上部に現れるようにする。その結果、入射光線１２３０の順序は、プロジェクションスクリーン１２５０上で保存され、そのため各ピッチで像が入り乱れることを防いでいる。
【００２１】
本発明の他の実施の形態は、図１３にて説明されている。図１３（ａ）は、フレネルレンズ体１３１０の各ファセット部１３２０間にある入射側の面の不使用部位に用いられている不透明層１３００を示している。製造過程中、その不透明層は、印刷、ケガキ加工、エンボス加工、レーザーマーキング、光重合、フォトマスキング法、あるいは当分野の技術で明らかであろう他の適する手段または方法によって、そのフレネルレンズ体へ用いられるだろう。入射側の面の各ファセット部間の部分が使用されないのは、そのファセット部がそのファセット部１３２０に下から入ってくる入射光線１３４０を遮り、あるファセット部の天面１３５０と隣り合うファセット部の底面１３６０の間の領域が残されるためである。その不透明層は、フレネルレンズ１３１０の入射側の面を通って入る周囲光の遮断物となる。そのフレネルレンズ体の入射側の面を通って入ってくるこの周囲光の減少ゆえに、プロジェクションスクリーン１３３０上のディスプレイコントラストが増加する。そのうえ、本発明では、そのフレネルレンズは、拡散スクリーンを重ねることができる。拡散スクリーンは、従来のフレネルレンズとプロジェクションスクリーンとの間の反射減衰を減少する。図１３（ｂ）は、ファセット部１３２０間に不透明層が用いられているオフアクシスフレネルレンズ１３１０の入射側の面を示す。
【００２２】
本発明のさらに他の実施の形態は、図１４に表されているように、その不透明層によって、もっとよいコントラストが提供される。ほとんどの周囲光は遮断され、スクリーンのコントラストを一層増加する。図１４（ａ）において、入射光線１４４０は、透明的部分１４００に集められる。透明部は、ファセット部１４２０とプロジェクションスクリーン１４３０との間で、フレネルレンズ体の内側にある。その不透明層１４１０は、透明的部分１４００の間であり、そのファセット部で反射された光線が通過しない領域に位置する。図１４（ｂ）に示されるように、不透明層１４１０は大部分の周囲光を遮断する。なぜなら透明的部分１４００によって覆われているその領域は、全入射面積と比較して小さいので、周囲光が通り抜け出来ることが可能な領域がほとんど残されていない。
【００２３】
本発明の更なる実施の形態は、図１５に示されるように、高いコントラストだが低い解像度を得る。不透明層は、各ファセット部間の不使用部１５００だけでなく、各ファセット部天面１５２０で反射された光が通る透明的部分１５１０間のスペース１５５０の両方に用いられる。しかし、各ファセット部の天面１５２０は、湾曲しているというより平面であるため、プロジェクションスクリーン１５６０上の出射光線１５４０のように、入射光１５３０の順序は入り乱れ、その結果低解像となる。
【００２４】
本発明の他の実施の形態は、図１６にて説明されるように、従来例によって得られるものより高解像度を得る。この実施例は図１２の実施例とは異なる形状を有するが、各ファセット部の底面１６１０の湾曲面によって、図１２が提供するのと同様の焦点機能を提供する。この湾曲面は、プリズムの外面と異なり光線が当たる外面上凸状であり、そしてプリズムの内面と異なり内部的に凹状である。光線が各ファセット部の底面１６１０を通り抜ける時に、入射する光線は、曲げられる。そのようにしてプロジェクションスクリーン１６４０上の出射光線１６３０のように、入射光線１６２０の順序は保たれる。他の実施の形態において（表示されず）、ファセット部の天面も底面も両方が、略曲面になっている。前述の設計は、フレネルレンズのピッチ長の限界を上回る解像度を提供できる。
【００２５】
本発明の他の実施の形態は、図１７にて説明されるように、フレネルレンズ１７２０の各ファセット部１７１０間の不使用部位へ用いられる不透明層１７００を示す。その不透明層１７００は周囲光の遮断を行い、それゆえにディスプレイコントラストを向上する。各ファセット部１７１０の底面１７３０を通過する時に、入射光線は曲げられる。それによりプロジェクションスクリーン１７７０上の出力光線１７６０のように入射光線１７５０の順序は保存され、結果として高解像度になる。
【００２６】
本発明の他の実施の形態において、図１８で示されるように、不透明層は、さらに高いコントラストを提供する。入射光１８００は、ファセット部１８２０と出射側の面１８５０との間のフレネルレンズ内部の透明的部分１８１０で集光される。不透明層１８４０は透明的部分１８１０間に位置する。この実施例において、大半の周囲光は、遮断され、スクリーンのコントラストが大幅に増加する。
【００２７】
本発明の更なる他の実施の形態は、図２３にて示されているように、基本的に不透明であり水平状態のルーバーが、プリズム２３２０と出射側の面２３３０との間に配置されている。この不透明なルーバーは、周囲光を遮断する効果があり、つまり周囲光は、スクリーン上に通常は入射しない。
【００２８】
これらに実施の形態においては、薄く、高解像度かつ向上したコントラストは、湾曲面を有するファセット部および不透明層を備えるフレネルレンズの組み合わせによって、達成される。加えて、これらすべての実施の形態において、プロジェクションシステム全体は、１つまたは複数の鏡をプロジェクター側に加えることによって、さらに薄くなるだろう。
【００２９】
本発明のすべての実施例は、ファセット部を有するフレネルレンズを備えている。図１９はそのファセット部設計の詳細を示す。図１９（ｃ）は、ファセット部の分解組立図を示す。そのファセット部は、本発明の１つの形態によると、湾曲した天面を有する。ファセット部ピッチ１９００は、ひとつのファセット部の天面と底面との間の最大距離である。ひとつの形態によると、ファセット部ピッチは０．１ｍｍであり、そしてそのフレネルレンズの厚さは、１ｍｍである。フレネルレンズの厚さとは、フレネルレンズのプリズムピークから平面までの距離（図中に示さず）である。
【００３０】
ファセット部ピッチは、所与の実施例におけるすべてのファセット部に関して、一般に同じである。例えば、もしもファセット部ピッチが０．１ｍｍとして与えられるならば、実施例のフレネルレンズの全てのファセット部（のピッチ）は０．１ｍｍであろう。各ファセット部は、プリズムピーク１９５０も有し、そのプリズムピークは、その基板１９８０から最も離れているファセット部の先端である。さらにプリズムピークは、天面１９１０と底面１９２０とが交わる。ファセット部深さ１９９０は、プリズムピーク１９５０から入射側の面１９８０までの距離である。図１９（ｂ）に示されている実施例において、そのファセット部の天面１９１０は円弧の形状で湾曲している。他の形態について、ファセット部の天面は平面的および底面は曲面的であるかもしれない。他の形態について、そのファセット部の天面および底面の両方は平面的であるかもしれない。さらに他の形態においては、ファセット部の天面および底面の両方は、曲面的であってもよい。
【００３１】
１つの実施の形態において、天面は、２ｍｍの半径をもつ円弧として定義される。入射光線は入射光角λを有する。ファセット部の寸法を記述かつ測定する目的で、仮想のファセット部二分線１９６０が、ファセット部頂上から基板まで線が引かれている。ひとつのファセット部の面は、他の面よりも長いので、図１９（ｂ）に示されるように、ファセット部二分線は、ファセット部を不等分な大きさの部分に分割する。ファセット部二分線１９６０は、ファセット部の縦軸方向の長さを二分し、そして通常スクリーン（示されず）に垂直である。そのプリズム底面の角度φは、底面とファセット部二分線との間の角度である。そのプリズム天面の角度βは、仮想の弦１９７０に対して定義されている。仮想の弦は、実施例が示すように、湾曲した天面の末端部位をつなぐ。
【００３２】
上述されているように、本発明のいくつかの実施形態では、その天面は略平面であるだろうし、そしてその底面は湾曲しているだろう。その天面および底面の湾曲面が逆になっている場合を除き、その天面および底面の角度は、上述されているように、コンピュータで計算されているだろう。それゆえに、その底面は弦を有し、そして底面の角度はファセット部二分線から弦までの角度である。
【００３３】
様々な実施例における、そのファセット部の詳細な寸法は、光学設計によって決定されうるだろう。そして分析ソフトウェア製品は当業者に公知である。たとえば、ＺＥＭＡＸ  Ｄｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは光学設計ソフトウェアを製作し、このソフトウェアは、フレネルレンズのモデリングを提供する。更なる設計及び製造のためには、光学設計およびＣＡＤソフトウェアにインターフェイスで分析ソフトウェアに連結することができる。
【００３４】
図１９（ａ）は、本発明の１つの実施の形態のサンプル寸法を示す。この寸法は、光学設計および分析ソフトウェアから得られた。与えられるフレネルレンズ中には、数多くのファセットがあるだろう。たとえば、ファセット部ピッチが０．１ｍｍであり、そしてフレネルレンズの高さは７４７ｍｍであり、１スクリーンあたりおおよそ７４７０ファセットがある。しかし単純化のために、９つのファセットのみを図１９（ａ）で示した。これらの９つのファセットは、そのレンズ軸から９つの異なる距離で、フレネルレンズの同心円形状のファセット部に対応している。入射光の角度、ファセット部深さ、プリズム天面の角度およびプリズム底面の角度は、すべてそのファセット部から軸までの距離と共に変化する。図１９（ｂ）は、１０個の異なる同心円状ファセットを示し、各ファセットは仮想レンズ軸から距離Ｌであり、仮想レンズ軸はオフアクシスフレネルレンズの下方にある。図１９（ｂ）は、レンズ軸から均一に間隔をとった距離ではない図１９（ａ）の９箇所と縮尺が一致するものではない。
【００３５】
特定の好適な実施形態に関して考えられうる詳細が記述されているが、他の実施形態は本発明の範囲内である。したがって、添付されている請求の範囲の趣旨および範囲は、ここに含まれる好適な形態の記述に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、光源、鏡およびスクリーンを含む、典型的なリアプロジェクションシステムを示す。
【図２】図２は、超薄型、軽量および取扱い容易なリアプロジェクションスクリーンを示す。
【図３】図３は、フレネルレンズなしのプロジェクションスクリーンを示す。
【図４】図４は、フレネルレンズを備えるリアプロジェクションスクリーンを示す。
【図５】図５は、鏡およびフレネルレンズを備えるプロジェクションテレビジョンを示す。
【図６】図６は、鏡およびフレネルレンズを備えるプロジェクションテレビジョンの等価光路を示す。
【図７】図７は、オフアクシスフレネルレンズを備える、より新しい従来のプロジェクションテレビジョンを示す。
【図８】図８は、オフアクシスフレネルレンズを備える、より新しい従来のプロジェクションテレビジョンの等価光路を示す。
【図９】図９は、屈折タイププリズムの限界ベンディング特性を示す。
【図１０】図１０は、屈折タイププリズムの限界なしのベンディング特性を示す。
【図１１】図１１は、屈折タイプフレネルレンズが低解像度および入り乱れた像を有することを示す。
【図１２】図１２は、ファセット部の天面が湾曲面であるオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１３】図１３は、ファセット部天面が湾曲し、および不透明層がファセットの側面に隣接して配列された、オフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１４】図１４は、ファセット部の天面が湾曲し、およびファセット部とフレネルレンズの出射側の面との間に不透明層が配置されているオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１５】図１５は、ファセット部の天面および底面は平面であり、かつフレネルレンズのファセット部と出射側の面との間に、不透明層が配置されているオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１６】図１６は、ファセット部の底面が湾曲しているオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１７】図１７は、ファセット部の底面が湾曲し、およびファセット部側面に隣り合って不透明層が配置されているオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１８】図１８は、ファセット部の底面は曲面であり、およびフレネルレンズのファセット部と出射側の面との間に不透明層が配置されているオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１９】図１９は、ファセット部設計の詳細を示す。
【図２０】図２０は、オフアクシスフレネルレンズを備えるリアプロジェクションテレビジョンの側面図を示す。
【図２１】図２１は、大きいフレネルレンズの断面の概念図を示す。
【図２２】図２２は、フレネルレンズファセット部の実施例の角度を示す。
【図２３】図２３は、不透明的かつ水平なルーバーがプリズムと出射側の面との間に設置されているオフアクシスフレネルレンズを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２（ａ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１５（ａ）】
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【図１６】
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【図１６（ａ）】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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