JP2000131510A

JP2000131510A - トーリック面を持つフレネルレンズ

Info

Publication number: JP2000131510A
Application number: JP10308638A
Authority: JP
Inventors: Kikuko Kuma; 紀久子隈
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】従来はレンチキュラーレンズなど他の光学部品
と組み合わせて水平、垂直方向の配光バランスを取る必
要があり、そのためにスクリーン構成においては高いコ
ストが掛かり、結果としてスクリーンの商品価格の設定
において制約が加わるなどの問題を解消することにあ
る。【解決手段】フレネル２とライズ面３とから構成される
フレネル形状面Ｍを有するフレネルレンズＬが、非回転
対称のトーリック面Ｔを呈している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＯＨＰ、製版用プ
リンター透過型プロジェクションスクリーン等の製品に
用いるフレネルレンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のフレネルレンズは、厚い回転対称
曲面レンズ（紡錘形状の側断面を呈するレンズ形状であ
って、厚さの厚いレンズ）を同心円状に分割し、その凸
レンズ表面をレンズ厚さ方向に同一厚さの側断面を呈す
るように移動することにより、前記レンズと同等の光学
特性を奏するシート状のレンズとしたものである。

【０００３】このようなフレネルレンズシートは、その
シート表面に同心円状、又はスパイラル状の切り込みに
よる凹凸が形成されていて、一般的に同心円状の輪帯形
状は平坦面を含む非球面であって回転対称となってい
る。また、スパイラル状の輪帯形状も、おおよそ回転対
称となっているといってよい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、従来のフレネ
ルレンズを用いて背面投射型（光透過型）のスクリーン
（スクリーンシステム）を作成する場合には、従来の同
心円状、スパイラル状のフレネルレンズはフレネル形状
面が回転対称なので、スクリーンの背面側から投射した
光は、その反対側の観察面において全方位的に配光（拡
散）し、水平方向と垂直方向の配光角（光拡散性）は均
等になる。

【０００５】ところが、通常の観察用スクリーンでは、
スクリーン視野角は水平方向に広く必要とするものであ
り、他方、垂直方向の視野角は水平方向に比較してそれ
程必要としないものであり、水平方向の光拡散性に比較
して垂直方向の光拡散性は低く抑えても、十分にスクリ
ーンとしての機能を達成できる。

【０００６】したがって、背面投射型スクリーンとして
従来のフレネルレンズを用いた場合には、垂直方向の端
部分の配光量（拡散光量）が無駄となる。

【０００７】そこで、従来は、これを解決するためにレ
ンチキュラーレンズなど他の光学部品と組み合わせて、
水平、垂直方向の配光バランスを取る必要があった。

【０００８】そのために、スクリーン構成においては高
いコストが掛かり、結果としてスクリーンの商品価格の
設定において制約が加わるなどの問題があった。本発明
は、このような問題を解消することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
発明は、フレネル面とライズ面とから構成される輪帯形
状のフレネル形状面を有するフレネルレンズのフレネル
面が、トーリック面を呈していることを特徴とするトー
リック面を持つフレネルレンズである。

【００１０】本発明の請求項２に係る発明は、上記請求
項１に係る発明において、前記フレネルレンズのＦ値
が、Ｆ≧２．０であるトーリック面を持つフレネルレン
ズである。

【００１１】本発明の請求項３に係る発明は、上記請求
項１又は請求項２に係る発明において、前記トーリック
面の頂点の垂直方向の曲率半径をｒ_a、水平方向の回転
半径をｒ_rとしたときｒ_a＜ｒ_rであるトーリック面を
持つフレネルレンズである。

【００１２】本発明の請求項４に係る発明は、上記請求
項１又は請求項２に係る発明において、前記トーリック
面の頂点の垂直方向の曲率半径をｒ_a、水平方向の回転
半径をｒ_rとしたときｒ_a＞ｒ_rであるトーリック面を
持つフレネルレンズである。

【００１３】また、本発明の請求項５に係る発明は、上
記請求項１乃至請求項４に係る発明において、前記フレ
ネル形状面のフレネルレンズピッチをＰ、フレネルレン
ズの厚さをｄとしたとき、Ｐ／ｄ＜０．１であるトーリ
ック面を持つフレネルレンズである。

【００１４】また、本発明の請求項６に係る発明は、上
記請求項１乃至請求項５に係る発明において、前記トー
リック面を持つフレネルレンズが、同心円状（サーキュ
ラー状）に形成されているトーリック面を持つフレネル
レンズである。

【００１５】また、本発明の請求項７に係る発明は、上
記請求項１乃至請求項５に係る発明において、前記トー
リック面を持つフレネルレンズが、スパイラル状に形成
されているトーリック面を持つフレネルレンズである。

【００１６】また、本発明の請求項８に係る発明は、上
記請求項１乃至請求項５に係る発明において、前記トー
リック面を持つフレネルレンズが、同一の焦点を持つ楕
円状に形成されているトーリック面を持つフレネルレン
ズである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明のトーリック面を持つフレ
ネルレンズを、実施の形態にしたがって以下に詳細に説
明する。

【００１８】図１は、本発明のトーリック面を持つフレ
ネルレンズのトーリック面を示す斜視図であり、図示す
るようにトーリック面Ｔとは空間座標中において、ｘ−
ｙ平面上でｘ軸を回転対称軸として線形状；ｘ＝ｆ
（ｙ）を回転したときに形成される隆起面（非球面、又
は球面）を考え、これをｙ軸に平行で且つｘ軸を通過す
る回転軸Ｏr を中心に、回転半径ｒ_rにて水平に回転し
て得られる曲面（曲面に沿う線形状；ｘ＝ｆ（ｙ））の
軌跡が描く隆起面（の一部分）であり、所謂、例えて言
えば、ラグビーボールの形状もそれに該当する。

【００１９】本発明においては、前記トーリック面Ｔの
隆起面における頂点部の垂直方向の曲率半径をｒ_aとし
たとき、前記回転軸Ｏr を中心とする回転半径ｒ_rと曲
率半径ｒ_aとの関係が、ｒ_a＜ｒ_r又はｒ_a＞ｒ_rに設
定されているものである。

【００２０】図２（ａ）は、本発明のトーリック面を持
つフレネルレンズのトーリック面Ｔの隆起外面に形成さ
れたフレネル形状面Ｍを示し、トーリック面をフレネル
の輪帯で切断する様子を表したレンズ外観イメージを示
す斜視図、図２（ｂ）は、本発明のトーリック面Ｔを持
つフレネルレンズＬの外観斜視図であり、また図中Ｄは
フレネル形状面Ｍの部分拡大側断面図である。

【００２１】フレネル形状面Ｍは、トーリック面Ｔを持
って隆起する外面にピッチＰにて同心円状（サーキュラ
ー状）に形成されたフレネル面２（トーリック曲率面形
状の傾斜面）とライズ面３（平面状起立面）とから構成
されていて、その同心円の中心部には円形状のレンズ頂
点面４を備えている。また、フレネル面とライズ面とか
ら構成される輪帯形状のフレネル形状面を有するフレネ
ルレンズのフレネル面は、フレネル形状面の中心を垂直
に通る回転対称軸に対して、非回転対称のトーリック面
を呈している。

【００２２】トーリック面Ｔを持つ本発明のフレネルレ
ンズＬは、フレネル面２とライズ面３とから構成される
少なくともフレネル形状面Ｍの形成されている領域の形
状が図２（ａ）にて説明したようなトーリック面Ｔを呈
しているものであり、図２（ｂ）に示すようなポリメチ
ルメタアクリレートなどの適宜厚さｄの透明プラスチッ
クシート１により形成され、フレネル形状面Ｍは、トー
リック面Ｔを持つ透明プラスチックシート１の隆起する
外面に、同心円状（サーキュラー状）に形成されたレン
ズピッチＰのフレネル面２とライズ面３とから構成され
ていて、その同心円の中心部には円形状のレンズ頂点面
４を備えている。

【００２３】図２（ｃ）は、本発明のトーリック面Ｔを
持つフレネルレンズの水平方向のＮz −Ｎz 側断面図、
図２（ｄ）は、本発明のトーリック面Ｔを持つフレネル
レンズの垂直方向のＮy −Ｎy 側断面図であり、本発明
のトーリック面Ｔを持つフレネルレンズにおいて、厚さ
ｄの平板な透明プラスチックシート１の領域内に形成さ
れている前記トーリック面Ｔを呈しているフレネル形状
面Ｍにおける中心にあるレンズ頂点面４の高さ及びその
レンズ頂点面４より外周に形成されたレンズ面の高さ
は、少なくとも一面となっていて、フレネル形状面Ｍの
裏面は平坦面となっている。

【００２４】本発明のトーリック面Ｔを持つフレネルレ
ンズは、図２（ｃ）に示すように、フレネルレンズ（ス
クリーン）の水平方向のＮz −Ｎz 側断面の各フレネル
面２の曲率半径は、同一の回転半径ｒ_rに相当する曲率
半径となっている。

【００２５】他方、図２（ｄ）に示すように、フレネル
レンズ（スクリーン）の垂直方向のＮy −Ｎy 側断面の
各フレネル面の曲率半径は、レンズ頂点面４の曲率半
径、又はそのレンズ頂点面４とその外周の適宜ピッチま
でのフレネル面２の曲率半径がｒ_a、さらにその外周に
あるフレネル面２の曲率半径はｒ_a1と徐々に小さくなっ
て、最外周にあるフレネル面の曲率半径ｒ_anは最小とな
っている。

【００２６】そして、この垂直方向の曲率半径ｒ_a、ｒ
_a1、ｒ_anの各輪帯状のフレネル面と水平方向の曲率半径
ｒ_rの各輪帯状のフレネル面とは、各輪帯状のフレネル
面として曲面を描いて同一の連続面となっている。

【００２７】そして、本発明においては前記トーリック
面Ｔの隆起面におけるレンズ頂点面４の垂直方向の曲率
半径ｒ_a又はそのレンズ頂点面４とその近傍のフレネル
面２の垂直方向の曲率半径ｒ_aと、前記回転軸Ｏr を中
心とする水平方向の曲率半径ｒ_r（回転半径）との関係
は、ｒ_a＜ｒ_r、又はｒ_a＞ｒ_rのいずれかに設定され
ている。

【００２８】特に、本発明のトーリック面Ｔを持つフレ
ネルレンズを、映写スクリーンなど観察用スクリーンと
して使用する場合には、少なくとも、上記垂直方向の曲
率半径ｒ_aと水平方向の曲率半径ｒ_rとの関係を、垂直
方向の曲率半径ｒ_a＜水平方向の曲率半径ｒ_rに設定す
るにより、垂直方向の光拡散性を抑え、水平方向の光拡
散性を増大させて、スクリーンの適正な視野角と輝度を
調整するものである。

【００２９】本発明のトーリック面を持つフレネルレン
ズＬのフレネル形状面Ｍの座標は、下記の様な数式
（１）、数式（２）で表される。

【００３０】

【数１】

【００３１】本発明の上記トーリック面を持つフレネル
レンズＬは、頂点曲率半径ｒ_aと回転半径ｒ_rのそれぞ
れ数値を適宜に変えることにより、フレネルレンズ単体
でも水平方向と垂直方向の配光バランスを自在に調整す
ることができる。

【００３２】そのため、従来のフレネルレンズのように
レンチキュラーレンズなど他の光学部品を組み合わせな
ることなく、水平方向、垂直方向の配光バランスを取る
ことができるようになる。

【００３３】例えば、背面投射型スクリーンとしてフレ
ネルレンズを用いた場合には、フレネルレンズＬにおけ
る頂点曲率半径ｒ_aと回転半径ｒ_rのそれぞれ数値を適
宜に変えることにより垂直方向の配光量を抑制して、垂
直方向の端部分の配光量（拡散光量）を無駄にしないよ
うにすることができ、また、自ずと、その抑制した垂直
方向の配向量分だけ水平方向の配光量を増大させて、明
るいスクリーンとすることができる。

【００３４】加えて、コニックコンスタントＫを変える
ことにより、前述のトーリック面Ｔは、縦軸が長い楕円
面、球面、横軸が長い楕円面、放物面、双曲面と変化す
ることを利用して、配光バランスの更なる微調整が可能
である。

【００３５】因みに、上記本発明のトーリック面を持つ
フレネルレンズＬにおいては、レンズピッチ＝Ｐ、レン
ズ厚さ＝ｄとしたとき、少なくともＰ／ｄ＜０．１に設
定した際に配光量の調整効果が良好に現れるものであ
る。

【００３６】図３は、トーリック面Ｔを持つ同心円状
（サーキュラー）フレネルレンズＬの１輪帯のフレネル
面２とそのライズ面３とから構成される１つの輪帯（サ
ークル）のフレネル面２を示す斜視図である。

【００３７】そして、この１つの輪帯をフレネル面２の
最下部と最上部にて水平方向に平行に切断し、且つＮ−
Ｎ切断線にて切断した際には、最下部の水平切断面とフ
レネル面２とのなす角度θが得られる。

【００３８】本発明のトーリック面を持つフレネルレン
ズＬは、前述したようにフレネルレンズＬにおける頂点
曲率半径ｒ_aと回転半径ｒ_rのそれぞれ数値を適宜に変
えることにより、垂直方向の配光量を抑制して、垂直方
向の端部分の配光量（拡散光量）を無駄にしないように
することができる。

【００３９】また、本発明のトーリック面を持つフレネ
ルレンズＬは、頂点曲率半径ｒ_aと回転半径ｒ_rのそれ
ぞれ数値を適宜に変えることにより、輪帯最下部の水平
切断面とフレネル面２とのなす角度θをＮ−Ｎ切断線の
方位に対応して適宜に調整して、例えば、投射型スクリ
ーンのフレネルレンズＬによる垂直方向の配光量を抑制
する方向に前記角度θを設定することによって、スクリ
ーン垂直方向の配光量を抑制することができ、また、ス
クリーン水平方向の配光量を増大させるとともに、その
水平方向のスクリーン視野角を増大させたり、適当な視
野角に調整することができるものである。

【００４０】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明のトーリッ
ク面を持つフレネルレンズＬの平面図であり、図４
（ａ）は、同心円状（サーキュラー）のフレネルレンズ
Ｌ、図４（ｂ）は、螺旋状（スパイラル）のフレネルレ
ンズＬ、図４（ｃ）は、同心楕円状のフレネルレンズＬ
である。

【００４１】

【発明の効果】本発明のトーリック面を持つフレネルレ
ンズは、トーリック面や、フレネル形状面を適宜な形状
に設定することにより、フレネルレンズの水平方向、垂
直方向の配光バランスをそれぞれ自由に取ることがで
き、フレネルレンズ単体でも光学形状や配光量の設定に
関する自由度が高く、配光バランスの調整において、従
来のようなレンチキュラーレンズ（レンチキュラースク
リーン）シートなどの異方性拡散板との組み合わせを省
略でき、スクリーンの商品価格の設定において高コスト
による制約が加わるなどの問題が解消でき、低コストで
光利得のある明るいスクリーンが得られるなどの効果が
ある。

【００４２】また、フレネルレンズのフレネル形状面の
自由度が拡大することにより、様々な状況に対応でき、
レンズ用途も拡大でき、更にレンズの明るさＦ２．０以
上の大口径とすることにより、光束の有効利用が達成さ
れる効果がある。

【００４３】加えて、フレネルレンズ配光バランスの調
整のためのレンチキュラーレンズシートなどの異方性拡
散板との重ね合わせが不要となって光学部品数が減るこ
とにより、重ね合わせ境界面での反射光が減り、反射光
による光利得の損失が無くなり、透過率の向上、Ｓ／Ｎ
比の向上、解像度の向上など、光学性能が向上する効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるトーリック面を持つフレネルレン
ズのトーリック面を概略的に示す斜視図。

【図２】（ａ）は本発明のトーリック面を持つフレネル
レンズにおけるトーリック面の外観イメージ斜視図、
（ｂ）は本発明のトーリック面を持つフレネルレンズの
外観斜視図、（ｃ）は本発明のトーリック面を持つフレ
ネルレンズの水平方向の側断面図、（ｄ）は本発明のト
ーリック面を持つフレネルレンズの垂直方向の側断面
図。

【図３】本発明のトーリック面を持つフレネルレンズの
１つの輪帯を概略的に示す斜視図。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明のトーリック面を持つ
フレネルレンズの各種輪帯形状を示す平面図。

【符号の説明】

１…プラスチックシート２…フレネル面３…ライズ
面４…レンズ頂点Ｔ…トーリック面Ｍ…フレネル形状面Ｏ_r…水平方
向回転軸Ｏ_a…垂直方向回転軸Ｐ…レンズピッチｄ…レンズ
厚さＬ…フレネルレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フレネル面とライズ面とから構成される輪
帯形状のフレネル形状面を有するフレネルレンズのフレ
ネル面が、トーリック面を呈していることを特徴とする
トーリック面を持つフレネルレンズ。
【請求項２】前記フレネルレンズのＦ値がＦ≧２．０で
ある請求項１記載のトーリック面を持つフレネルレン
ズ。
【請求項３】前記トーリック面の頂点の垂直方向の曲率
半径をｒ_a、水平方向の回転半径をｒ_rとしたとき、ｒ
_a＜ｒ_rである請求項１又は請求項２記載のトーリック
面を持つフレネルレンズ。
【請求項４】前記トーリック面の頂点の垂直方向の曲率
半径をｒ_a、水平方向の回転半径をｒ_rとしたとき、ｒ
_a＞ｒ_rである請求項１又は請求項２記載のトーリック
面を持つフレネルレンズ。
【請求項５】前記フレネル形状面のフレネルレンズピッ
チをＰ、フレネルレンズの厚さをｄとしたとき、Ｐ／ｄ
＜０．１である請求項１乃至請求項４記載のトーリック
面を持つフレネルレンズ。
【請求項６】前記トーリック面を持つフレネルレンズの
輪帯形状が、同心円状（サーキュラー状）に形成されて
いる請求項１乃至請求項５記載のトーリック面を持つフ
レネルレンズ。
【請求項７】前記トーリック面を持つフレネルレンズの
輪帯形状が、スパイラル状に形成されている請求項１乃
至請求項５記載のトーリック面を持つフレネルレンズ。
【請求項８】前記トーリック面を持つフレネルレンズの
輪帯形状が、同一の焦点を持つ楕円状に形成されている
請求項１乃至請求項５記載のトーリック面を持つフレネ
ルレンズ。