[发明专利]高架投影用的双槽式菲涅尔透镜

说明书

本发明领域

本发明总的涉及菲涅尔(Fresnel)透镜，特别涉及用于高架投影机的菲涅尔透镜。

本发明背景

用作聚光器、集光器和场镜的传统的菲涅尔透镜的通常形式是一单件透镜，在其一侧上有棱形、圆形的槽，而其另一侧则呈平面。当在较小的F/数值下要求有较高的透光率时，例如在高架投影机的情况时，将两块这种类型的透镜在圆周边处相互封接起来，并使槽与槽邻接。由于这些透镜通常靠近成像面或投影机的载物台，故当圆槽结构的诸中心的吻合精度超出一允差范围内时就会在投射的像上出现莫尔图形。

日本专利57-109618描述了一种在两侧带有相同的槽结构的单片或菲涅尔透镜。该专利中，两只相同的模子利用导柱精确地对准在一夹具中，再往两模之间灌入热塑性树脂，此后即施压加热，这样就制出一块透镜。这样的单片透镜比传统的两片透镜组合起来的要更经济些，这是因为只要一片透镜材料即可。可惜的是，要使诸开槽表面的中心的重合精度在一允差范围内的这一要求增加了这单片透镜的加工费用，因而多少抵消了它的优点。

美国专利4,900,129改进了上述日本专利，其改进点在于增大了单片菲涅尔透镜的一个表面相对于另一表面的槽的数目(groove frequency)。这样就把莫尔图形的对比度减小到了不可见的程度。在该结构设计中，光线在第一表面上的入射角等于在第二表面上的折射角。

虽然上述两篇专利文件都着手解决有关成本和莫尔图形的重要问题，但并未涉及另外两个方面的问题，即透光率与灯丝像的大小。透光率是指沿一所需方向射出菲涅尔透镜的光线的量与入射光线之比。这一点是很重要的，因为透光率高就使屏幕上的像较亮，或者在达到一预定的照明度时所耗用的能量可以较少。灯丝像大小就是由菲涅尔透镜产生的光源的像的大小。这点同样是重要的，因为灯丝像的大小决定了投影透镜尺寸即其成本的大小。减小灯丝像大小就可降低投影机的成本。

本发明概要

本发明制造一种单片、在其每一侧上的槽结构不相同的双槽式菲涅尔透镜。槽的数目经仔细地控制以降低或消除了槽的图形在透镜每一侧面上的诸中心需精确对准的要求。另外，在本发明一实施例中，其诸槽角被设计得可以降低由阶梯障碍(riser blockage)和表面反射造成的两种光损失，从而使透过透镜的光的透射达到最佳化。在另一实施例中，诸槽角经设计后使灯丝像得以缩小。提高穿过透镜的光线的透光率和缩小灯丝像的尺寸的两种技术可以结合起来，以提高用于高架投影机上的光学系统的总体效率。

附图的简要说明

下面将结合诸附图说明本发明，在几个图中的同一标号表示相同的零部件。附图中：

图1是按本发明设计的单片双槽式菲涅尔透镜的经放大的横剖面图；

图2与图1类似，图中示出了用于计算菲涅尔透镜的阶梯障碍的参数；

图3示意表示出一高架投影机的部分光学零部件，以及由菲涅尔透镜所产生的灯丝像；

图4是表示出由现有技术生成的灯丝像的光斑示意图；以及

图5是表示出由本发明生成的灯丝像的光斑示意图。

本发明的详细说明

判定菲涅尔透镜的性能的两个重要的标准是透光率和灯丝像大小。针对这两项标准而对菲涅尔透镜的最优化设计提高了它在高架投影机中的性能，菲涅尔透镜的光学设计影响到这两项标准的好坏。

透光率受到设计中的两个因素的影响，即阶梯障碍和表面反射。这里并不考虑制造方面如槽脊的正确成形这种因素，也不考虑与材料性质有关的诸多潜在的损耗因素，如在塑料中的吸收。这些因素与透镜本身的设计无关。

                     阶梯障碍(Riser Blockage)

“阶梯障碍”是由菲涅尔透镜的“阶梯(riser)”引起的光线的乱真的折射、吸收或散射。图1将帮助解释此现象，图中示出一单片双槽式菲涅尔透镜的小部分的横截面，总的以标号“10”表示。这部分透镜10表示了一个在图3中透镜10的光轴左侧所取的截面。