JP2005122009A - 透過型スクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】光拡散シートのベースシートの光入射側に凹凸構造の光拡散構造を持たせることにより輝度ムラのない透過型スクリーンを提供することを目的とする。
【解決手段】拡散材入りシート１０とレンズシート２０と光拡散構造３１が形成されたベースシート３０とからなる光拡散シート４０と、フレネルレンズ５０とで構成されており、レンズシート２０はほぼ断面形状が台形状の屈折率Ｎ１を有する複数の単位レンズ２１と、単位レンズ２１間に屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折部２２とで構成された透過型スクリーンであり、光拡散構造３１は、ピッチが２μｍ以上、２００μｍ以下の周期性を有するストライプ状、プリズム形状、及びマイクロレンズアレイ状の周期構造からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクションディススプレーに用いられる透過型スクリーンに関するものである。

プロジェクションディスプレイ装置等においては、観察者の視認性を高めるため透過型スクリーンに光拡散シートを用いたものが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。この光拡散シート１４０は、図６に示すように、拡散材入りシート１１０とレンズシート１２０とベースシート１３０とからなり、レンズシート１２０はほぼ断面形状が台形状の屈折率Ｎ１を有する複数の単位レンズ１２１と、単位レンズ１２１間に屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折部１２２とで構成されている。

この構成の光拡散シートでは、断面形状が台形状の単位レンズ１２１の斜面部での全反射を使っているため、開口部をそのまま透過する光によって、観察者側での正面輝度が極端に高くなり、次に反射面で全反射した光によって全反射光の方向に輝度のピークを持つ、図７に示すように、狭いピークをいくつか有する配光分布を持つことになる。これは、通常のレンズのように連続した曲面で屈折する場合に対し、全反射を満足する限定した角度の反射面と開口部を直接反射する光によって光を拡散させている為である。
そのため、観察者側で視点を移動すると、スクリーンの輝度が激しく変化し、疲れやすく、見づらいスクリーンになる。これを防止するために拡散剤入りシート１１１の拡散材を多用すると、コントラストが低くなり、画質が劣化する。さらに、大画面になると、視点を固定してもスクリーンの位置によって輝度ムラを生じる。

また、全反射しない光は、低屈折部１２２の黒の部分に吸収されてしまうため、光の散乱する幅は広い場合、広く広がった部分の光は、黒部分に吸収されてしまい光の利用効率が悪く、暗いスクリーンとなる。そのため、樹脂中に粒子構造をもつような従来の拡散構造では、光の利用効率が低下し暗いスクリーンとなっていた。
特開２００３−５０３０７号公報 特開２００３−５７４１６号公報

そこで、本発明では、光拡散シートのベースシートの光入射側に凹凸構造の光拡散構造を持たせることにより輝度ムラのない透過型スクリーンを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を達成するために、まず請求項１においては、単位レンズ斜面部での全反射を利用する透過型スクリーンにおいて、前記透過型スクリーンの光入射側表面に凹凸構造の光拡散構造３１を設けたことを特徴とする透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項２においては、前記光拡散構造３１は、ストライプ状の周期構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項３においては、前記光拡散構造３１は、プリズム形状の周期構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項４においては、前記光拡散構造３１は、マイクロレンズアレイの周期構造を有していることを特徴とする請求項１記載の透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項５においては、前記光拡散構造３１は、ピッチが２μｍ以上、２００μｍ以下の周期性を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項６においては、前記光拡散構造３１は、入射光軸を軸とする頂角２０度の円錐の範囲に散乱光を８０％以上含む光の広がりであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項７においては、前記光拡散構造３１は、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の透過型スクリーンとしたものである。

また、請求項８においては、前記光拡散構造３１は、少なくとも２つ以上の周期を持ち、その一つが４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の透過型スクリーンとしたものである。

さらにまた、請求項９においては、前記光拡散構造３１は、少なくとも２つ以上の周期を持ち、その一つが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の透過型スクリーンとしたものである。

本発明の透過型スクリーンによれば、光拡散シートのベースシートの光入射側に凹凸構造の光拡散構造を持たせることにより輝度ムラのない、明るい透過型スクリーンを得ることができる。

図１は、本発明の透過型スクリーンの一実施例を示す模式構成図である。

図１の透過型スクリーン１００は、拡散材入りシート１０とレンズシート２０と光拡散構造３１が形成されたベースシート３０とからなる光拡散シート４０と、フレネルレンズ５０とで構成されており、レンズシート２０はほぼ断面形状が台形状の屈折率Ｎ１を有する複数の単位レンズ２１と、単位レンズ２１間に屈折率Ｎ２を有する材料が充填された低屈折部２２とで構成されている。
ここで、台形状の単位レンズ２１の下底を入光部、斜辺を全反射部、上底を出光部、全反射部をなす斜辺が出光部の法線となす角度をθとした場合、
ｓｉｎ（９０°−θ）＞Ｎ２／Ｎ１
かつ
Ｎ１＜１／ｓｉｎ２θなる関係が満たされているものとする。

請求項１に係る発明では、光拡散シート４０の光入射側に光拡散構造３１を設けて、凹凸構造による光散乱作用を持たせることにより、図２に示すような角度による輝度ピークが発生しない透過型スクリーンを得ることができるようにしたものである。

図３（ａ）は、本発明の請求項２に係る光拡散構造３１の一実施例を示す模式構成図である。

図３（ａ）に示す光拡散構造３１は、凹凸構造が周期構造を有するストライプ状レンズ３１ａで構成されており、全反射によるレンズ構造がストライプ状であるため、この散乱作用の制限は、ストライプ状レンズ３１ａが作用する方向のみで良い。
そのため、全反射によるレンズ構造が水平平面に作用するストライプ状の場合、入射光軸を含む水平な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれることが望ましい。

また、全反射によるレンズ構造が垂直平面に作用するストライプ状の場合、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれることが望ましい。

これらのように、光軸を含むある平面状の光の範囲のみを制限すれば良い場合、光軸を含みその平面に直交する平面では、光の広がりを比較的自由に定義できる。例えば、光の出射側に、十分な拡散作用がある場合は、直交する平面内では、光が拡散する必要は殆どないもので良い。逆に、光の出射側の拡散作用が弱い場合は、直交する平面内では、光が強く拡散することが望ましい。これらのことは、このように、方向によって拡散性の異なる作用は、凹凸構造をストライプ状に存在していれば良い。このような構造の場合、ストライプに直交する方向に強く光は拡散する。

回折の作用によって光を散乱させる場合、ストライプ状の周期構造のピッチは、２μｍ以上であればよく、実験により６μｍから１２μｍのものが優れた特性を示した。これは、３次の回折光までが略±１０度以内に入り、より均一で明るいスクリーンが得られた為である。

図４（ａ）は、本発明の請求項３に係る光拡散構造３１の一実施例を示す模式構成図である。

図４（ａ）に示す光拡散構造３１は、凹凸構造が周期構造を有するプリズム状レンズ３１ｂアレイで構成されており、凹凸構造がプリズム状レンズアレイ構造であるため、最も容易に光の広がる範囲の制御が可能である。なぜなら、プリズム状レンズ３１ｂのピッチが５０μｍ以上の場合、略プリズム面による屈折の影響を計算するだけで良く、ピッチが５０μｍ以下の場合でも、比較的簡単に回折の影響を考慮することができるからである。

一般にポリマーによって得られる低い屈折率は１．３程度であり、また高い屈折率のものは1．7程度である．そのため、異なる屈折率の界面で全反射させるためには、光は１０度以内の範囲に光が存在する必要がある。よって、凹凸による光の散乱効果は、入射光軸を軸とする頂角２０度の円錐の範囲に散乱光が集まることが望ましく、スクリーンとして必要な明るさを得るためには、この円錐の範囲に８０％以上の光が集まることが望ましい。

図４（ａ）に示すプリズム構造は、要素プリズムの間に基材と平行な表面を有しているが、これは、正面方向での輝度を向上させる為である。逆に、少し斜めからみた角度での輝度を向上させる為には、この平行な部分をなくし、要素プリズムを接近させれば良い。

また、光拡散シートを構成する台形形状の反射面がストライプ状である場合、凹凸による光拡散効果は、台形形状による反射光が射出する方向の1次元方向のみでよいため、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれていれば良い。この場合、プリズム構造もストライプ状であり、前記台形形状の反射面のストライプ方向と略平行である方が望ましい。回折作用によって主に光を散乱させる場合、そのプリズムのピッチは、６μｍから１２μｍであることが望ましい。

図５（ａ）は、本発明の請求項４に係る光拡散構造３１の一実施例を示す模式構成図である。
図５（ａ）に示す光拡散構造３１は、凹凸構造が周期構造を有するマイクロレンズ３１ｃアレイで構成されており、そのレンズの作用により光を拡散させるようにしたものである。マイクロレンズを用いた場合、そのレンズの曲率にしたがって光を拡散させる為、拡散範囲において均一な光の強さを示すことができる。
図５（ａ）に示すマイクロレンズ構造は、要素マイクロレンズの間に基材と平行な表面を
有しているが、これは、正面方向での輝度を向上させる為である。逆に、少し斜めからみた角度での輝度を向上させる為には、この平行な部分をなくし、要素レンズを接近させれば良い。

また、光拡散シート４０を構成する台形形状の単位レンズの反射面がストライプ状である場合、凹凸による光拡散効果は、台形形状による反射光が射出する方向の1次元方向のみでよいため、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれていれば良い。この場合、レンズ構造もストライプ状であり、前記台形形状の反射面のストライプ方向と略平行である方が望ましい。回折作用によって主に光を散乱させる場合、そのレンズのピッチは、６μｍから１２μｍであることが望ましい。

本発明の請求項５に係る光拡散構造３１の周期性について説明する。

上記光拡散構造３１の主な周期構造、具体的には図（３ｂ）、図（４ｂ）及び図（５ｂ）に示すレンズピッチＰａ、Ｐｂ及びＰｃが２μｍ以下であると、光の散乱範囲は１０度を超えるため望ましくない。また、レンズピッチＰａ、Ｐｂ及びＰｃが２００μｍ以上であると、映像の画素とのモアレが生じ画質を劣化させる。そのため、周期構造を有するレンズピッチが、２μｍ以上２００μｍ以下であることが望ましい。強い回折強度を示す３次までの回折光を利用する為には、そのピッチが６μｍから１２μｍであることが望ましい。

周期構造を有するレンズピッチが５０μｍ以下の細かいピッチの場合、光の散乱は回折の影響が強くなる。周期構造が４０μｍ以下でも回折の影響は確認することが出来る．光の回折は、光の波長によって、偏向角が大きく異なるため、虹色の分光作用が生じ画質を劣化させる。この回折による分光の作用は、単一の空間的な周波数つまり、単一の周期の構造物であるほど強く作用する。逆にいえば、複数の周期をもつ凹凸構造であればあるほど、回折による分光作用は弱まり、虹色による画質の劣化を防ぐことができる．
請求項6に係る光拡散構造３１は、入射光軸を軸とする頂角２０度の円錐の範囲に散乱光の８０％以上が集まるようになっている。

一般にポリマーによって得られる低い屈折率は１．３程度であり、また高い屈折率のものは1．7程度である．そのため、異なる屈折率の界面で全反射させるためには、光は１０度以内の範囲に光が存在する必要がある。よって、凹凸による光の散乱効果は、入射光軸を軸とする頂角２０度の円錐の範囲に散乱光が集まることが望ましく、スクリーンとして必要な明るさを得るためには、この円錐の範囲に８０％以上の光が集まることが望ましい。
請求項７に係る光拡散構造３１は、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれている。

光拡散シート４０を構成する台形形状の反射面がストライプ状である場合では、凹凸による光拡散効果は、台形形状による反射光が射出する方向の1次元方向のみでよいため、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれていれば良い。この場合、プリズム構造もストライプ状であり、前記台形形状の反射面のストライプ方向と略平行である方が望ましい。回折作用によって主に光を散乱させる場合、そのプリズムのピッチは、６μｍから１２μｍであることが望ましい。

請求項８に係る光拡散構造３１は、少なくとも２つ以上の複数の周期構造をもち、その一つが４０μｍ以下である。
周期構造が４０μｍであると、回折による光の拡散作用が強くなり均一な明るさの像をスクリーンに映すことができる。しかしながら、回折による色分散が強く、スクリーンを観察する方向によっては虹色が観察される場合がある。そのため、光拡散構造を複数の周期構造から構成することによって回折作用による色分散の作用を減少させより良好な映像を
観察することが可能になる。

請求項９に係る光拡散構造３１は、少なくとも２つ以上の複数の周期構造をもち、その一つが２０μｍ以下である。
周期構造が２０μｍであると回折による光の拡散作用がさらに強くなりより均一な明るさの像をスクリーンに映すことができる。しかしながら、回折による色分散が強く、スクリーンを観察する方向によっては虹色が観察される場合がある。そのため、光拡散構造を複数の周期構造から構成することによって回折作用による色分散の作用を減少させより良好な映像を観察することが可能になる。

上記したように、本発明の光拡散構造は、屈折と回折によって光が広がるため、その凹凸の構造を制御することで光の広がる範囲を制御しやすい。

また、凹凸の斜面の傾きを制御することで、屈折による光の散乱の範囲を制御でき、さらに、凹凸の空間的な周波数を制御することで回折による光の広がりを制御でき、輝度ムラの無い透過型スクリーンを得ることができる。

本発明の透過型スクリーンの一実施例を示す模式構成図である。 本発明の透過型スクリーンの輝度分布を示す説明図である。 （ａ）は、本発明の請求項２に係る光拡散構造３１の一実施例を示す模式構成図である。

（ｂ）は、（ａ）をＡ−Ａ’線で切断した模式構成部分断面図である。
（ａ）は、本発明の請求項３に係る光拡散構造３１の一実施例を示す模式構成図である。

（ｂ）は、（ａ）をＢ−Ｂ’線で切断した模式構成部分断面図である。
（ａ）は、本発明の請求項４に係る光拡散構造３１の一実施例を示す模式構成図である。

（ｂ）は、（ａ）をＣ−Ｃ’線で切断した模式構成部分断面図である。
従来の光拡散シートの一例を示す模式構成図である。 従来の光拡散シートを用いて得られた輝度分布の一例を示す説明図である。

符号の説明

１０、１１１……拡散材入りシート
２０、１２０……レンズシート
２１、１２１……単位レンズ
２２、１２２……低屈折部
３０、１３１……ベースシート
３１……光拡散構造
３１ａ……ストライプ状レンズ
３１ｂ……プリズム状レンズ
３１ｃ……マイクロレンズ
４０……光拡散シート
５０……フレネルレンズ
１００……透過スクリーン
Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ……レンズピッチ

Claims (9)

1. 単位レンズ斜面部での全反射を利用する透過型スクリーンにおいて、前記透過型スクリーンの光入射側表面に凹凸構造の光拡散構造（３１）を設けたことを特徴とする透過型スクリーン。
2. 前記光拡散構造（３１）は、ストライプ状の周期構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の透過型スクリーン。
3. 前記光拡散構造（３１）は、プリズム形状の周期構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の透過型スクリーン。
4. 前記光拡散構造（３１）は、マイクロレンズアレイの周期構造を有していることを特徴とする請求項１記載の透過型スクリーン。
5. 前記光拡散構造（３１）は、ピッチが２μｍ以上、２００μｍ以下の周期性を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の透過型スクリーン。
6. 前記光拡散構造（３１）は、入射光軸を軸とする頂角２０度の円錐の範囲に散乱光を８０％以上含む光の広がりであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の透過型スクリーン。
7. 前記光拡散構造（３１）は、入射光軸を含む垂直な平面において、±１０度以内の範囲に散乱した光の８０％以上が含まれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の透過型スクリーン。
8. 前記光拡散構造（３１）は、少なくとも２つ以上の周期を持ち、その一つが４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の透過型スクリーン。
9. 前記光拡散構造（３１）は、少なくとも２つ以上の周期を持ち、その一つが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の透過型スクリーン。

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