JP2005140801A - 外乱光防止スクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】
照明など外乱光がある状態でもこれを排除し、投影する画像や映像を良好なコントラストにて再生し、明るい部屋でも視察ができるように表示装置へ設置する外乱光防止スクリーン、および同機能を持った投影用透過スクリーンと投影用反射スクリーン。
【解決手段】
光ファイバーを円筒型導光管として用い、この導光管円筒部全周に光吸収材料を配置し外乱光を吸収する。素子の長さを短くできることを特長とする。この導光素子群の隙間を光吸収材で満たし導光板とし、これを隙間無く敷き詰めて外乱光防止スクリーンとする。投影機からの映像を映写する透過スクリーンとしても機能する。導光板の片面に拡散反射材を配置して投影用反射スクリーンとする。プラスティック光ファイバーを束ねて黒色塗料を染み込ませることにより結束させかつ隙間に充填し、乾燥後、この束を一定の角度で切り出した導光素子片を隙間無く平面状に結合させて製造する。
【選択図】図７

Description

本発明は、表示装置に入射し表示画像や映像を乱す外乱光を防止するスクリーンおよび、画像や映像を映写するための投影用透過スクリーンと、投影用反射スクリーンの構造と、それらの製造方法に関するものである。

屋外や明るい室内などでテレビなどの表示装置を視察する場合、照明や周囲光の影響で、表示画像や映像の黒および暗部の再現が悪くなり、コントラストが低下する。これを防止する目的で、外乱光を積極的に選択排除する考案があまりされてこなかった。また、従来の透過式のスクリーンもこの問題の防止を目的とした機構を持ったものがあまり無かった。従来の投影用反射スクリーンは、映像を視察する空間を暗くし、照明光などの外乱光を排除しなければ、投影する画像や映像の暗部をスクリーン上に再現しにくいものだった。そのため、この投影光から出てスクリーンで反射した光と外乱光の比を向上させる考案が多数されてきた。たとえば、微小粒子状の球状レンズを塗工して入射方向へ強く反射させるものや、表面に微小な凹凸をつけるものがあるが、外乱光を積極的に吸収する手段がない。特許文献１はフレネルレンズ状の反射層を用いたものがあるが製造コストが大きい。光ファイバーを用いた考案も特許文献２でなされているが、外乱光を吸収する手段を持たないという問題がある。
特許３３４１２２５号 実開平０６-０５００５３号

照明や周囲光など外乱光がある状態でもこれを入射角度により選択的に排除し、投影する画像や映像を良好なコントラストにて再生し、明るい部屋でも視察ができるように表示装置へ設置する反射防止スクリーン、および同機能を持った投影用透過スクリーン、および同機能を持った投影用反射スクリーンを得ることを目的とする。

本発明が課題を解決する手段は、請求項と同一であるが、以下、図面を提示して詳しく説明する。テレビや液晶モニタなどの表示装置と外乱光防止スクリーン、視察者、部屋の照明光などの代表的な位置関係の模式図を図１に示す。プロジェクターと投影用透過スクリーン、暗箱、視察者、部屋の照明光などの代表的な位置関係の模式図を図２に示す。表示装置や投影機からの光は外乱光に対し信号光と呼ぶことができるが、これと外乱光とを入射角度で区別するために、光ファイバーとして知られる導光管の最大受光角の条件を利用する。導光管（光ファイバー）の断面構造図を図４に示す。また、最大受光角θを越えて入射し導光管外へ出た外乱光を吸収する手段を配置する。外乱光防止スクリーン光学系の断面図を図６に、投影用透過スクリーンの断面図を図８に示す。信号光は最大受光角を越えない入射角を持っているので、導光管の入射とは反対の端面に導光管内を直行、または導光管内部で全反射を繰り返して高効率で到達し拡散出射し視察者へ届く。

映写機と投影用反射スクリーン、視察者、部屋の照明光などの代表的な位置関係の模式図を図３に示す。投影用反射スクリーンの光学系の断面図を図９に、導光管（光ファイバー）の断面図を図５に示す。信号光は最大受光角θを越えない入射角を持っているので、導光管の入射とは反対端面に導光管内を直行、または導光管内部で全反射を繰り返して高効率で到達する。この端面に拡散反射材を配置すれば拡散反射光はもとの入射方向へ戻っていくが、導光管の端面で小さな角度内で拡散出射し、視察者へ届く。

導光管の構造は、屈折率の高いコア層と、屈折率の低いクラッド層からなる円筒形で、光ファイバーである。この導光管の最大受光角θとは、導光管内で全反射しながら伝搬するような光線の入射角度の限界のことで、空気の屈折率を１，コア層の屈折率をＮ₁、クラッド層の屈折率をＮ₂とすると、下式のようになる。sinθは光ファイバーの開口数（ＮＡ）である。

この最大受光角θを超えない範囲で入射する信号光はコア層内を伝搬、あるいはコア層とクラッド層の境界で全反射を繰り返して高効率で導光管内を伝搬する。

外乱光は、主に天井などに近いところに設置された照明光などなので、信号光よりも大きな角度で導光管端面へ入射する。これは最大受光角θを越えているので、導光管のクラッド層を突き抜け、導光管外へ出るが、導光管の円筒周囲を光吸収材として黒色塗料等を配置してこれを吸収する。

導光管の長さＬは、外乱光の入射角度が最大受光角θを越えていても、反対側の端面に到達してしまうことを避けるために、導光管の直径を２Ｒ、光ファイバーの開口数をsinθとして、下式のような条件にする。

たとえば、導光管の開口数が0.5で、導光管径２Ｒが0.5ｍｍの場合、導光管の長さは0.9ｍｍ程度以上あれば上記の条件を満たす。従って、導光板の厚さは非常に薄く構成する事が可能である。

円筒形の導光管を平面状にならべるため導光管同士の間に隙間ができるが、これは上記導光管周囲の光吸収材で満たして導光板とする。この導光板の模式図を図７に、導光板の平面の一部を図１０に示す。この機構によって視察者にとっては投影画像や映像の黒すなわち、明るさの再現のうち暗部の基準となり、投影光や表示光が全くない場合は導光板全体が黒く見える。

導光管の径が同一のものを配置するだけでは下式のような光量の効率となり、光吸収部による損失としてはおよそ９％である。

この損失を改善する考案としては、この光吸収部の隙間へ径の小さい導光管を追加する。この場合の導光板の平面図を図１１に示す。この追加の導光管の半径をＰとすると下式の様になり、径が２Ｒの導光管の15％程度の径となる。

この改善案を採用すると、効率は下式のようになり、光吸収部による損失としては５％となり、改善される。

さらに改善するためには、元の導光管の径の６．２７％程度の径となる導光管を追加し、３種類の径の導光管にて構成し、損失は３％となる。この３種類の径を用いた導光板の平面図を図１２に示す。上記の機構を多重化、つまり、さらに小さな導光管を配置して効率をあげることもできる。

上記のように、平面上の光吸収部による損失は、導光管の直径の大きさに関係ないので、高い解像度に対応させるために細い光ファイバーを材料に用いても光量の効率を失うことがない。

導光管の長さ方向をスクリーンの面に垂直に配置する方式で述べてきたが、信号光、外乱光の選択能力をさらに改善するために、導光管の方向を信号光の発信元や視察者方向へ向けた方法もとることができる。投影用透過スクリーンの例として図１３に示すように、導光管の長さ方向を投影機や視察者がいる方向へ向けて配置し、外乱光である照明器具との角度を大きくしようとするものである。投影用反射スクリーンとしての例を図１４に示す。導光管の方向を設定して製造することは容易である。

本発明のための導光管の材料はプラスティック光ファイバーを用意する。導光素子片を製造するには、まず、加工上必要な長さのプラスティック光ファイバーの束を用意し、これを密着させて束ねた状態のところへ、黒色塗料などの光吸収材を滴下する。光吸収材は毛細管現象により、導光管の隙間へ充填される。これを乾燥させた後、長さ方向に垂直を基準として切断、いわゆる輪切りにして導光素子片とする。この導光素子片を決まった形、たとえば、三角形、長方形、正方形や、正六角形などにしておき隙間無く接着し結合させて導光板とする。導光板をそのまま外乱光防止スクリーンや投影用透過スクリーンとしてもよい。透明基材をスクリーンの形状に用意し、この導光素子片を隙間無く接着する方法もある。この素子の厚さは、上述したＬ以上に設定し、均一に作成する。定着性を向上させ、導光管の端面を保護するため、透明塗料等を全体に塗布して仕上げても良い。

投影用透過スクリーンとして、上記導光板の出射する面または入射する面にスリガラス状の拡散透過材を配置したり、梨地塗料を塗布してもよい。

本発明の外乱光防止スクリーンおよび、投影用透過スクリーンおよび、投影用反射スクリーンは、導光体の長さなど、光学機構の深さを1ｍｍ以下にする事もでき、光吸収材、光拡散反射材、スクリーン基材に柔軟な材料を用いれば、板状の基盤に固定するほか、丸めたり、巻き取ったりして収納することも可能である。

本発明の反射防止スクリーン、および投影用透過スクリーン、および投影用反射スクリーンは、照明光、周囲光などの外乱光を選択的に吸収し、かつ表示機や映写機などからの光線を効率よく視察者方向に集中して出射する事ができ、明るい部屋で使用してもコントラストの良い、高品質な画像や映像を再生できる。また、高価な光学系を用いないため製造コストは廉価にできる。またスクリーンの厚さは薄く出来る。

対角１００インチの３：４のスクリーンの長手方向辺は２ｍであるが、この長さに１０００画素を表示するシステムを想定すると、０．５ｍｍの直径の導光管を材料として製造すれば、１画素に長手方向４個の、１画素の面積への対応としては１６個の導光管を対応させることができる。以下この表示システム用の反射防止スクリーン、および投影用透過スクリーン、および投影用反射スクリーンとして実施例を示す。

０．５ｍｍの直径のプラスティック光ファイバーは、ポリメチルメタクリレートをコア層に、フッ素系樹脂をクラッド層に用いたステップインデックス方式のものが市販されていて、開口数 0.5 、すなわち最大受光角 30 度のものが標準的に存在しこれを採用する。クラッド層は径全体の２．５％程度と薄い。上記プラスティック光ファイバーを作業上必要な、たとえば２０cm程度に切断したものを400本以上用意し、一辺が１０ｍｍの正方形を端面とする箱に入れる。導光管同士が整列して密着する様に押さえながら、黒色塗料を滴下する。この塗料は、導光管同士の隙間へ毛細管現象で充填される。これを乾燥させ、棒状の材料とする。次に、この棒状の材料を、導光管の長さ方向に垂直に切断する。切断は繰り返し行う。材料がプラスティックなので、刃物で容易に切断できる。このとき導光管の長さの設定は開口数から計算された値約０．９ｍｍ以上が必要なので、ここでは１ｍｍとする。この作業までを繰り返し、一辺が１０ｍｍの正方形で厚さ１ｍｍの導光素子片が多数できる。スクリーンの基材となる透明シートを目的のスクリーンの形状に加工しておき、ここへ、上記導光素子片を隙間無く張り付け接着する。こうしてできあがった導光板の導光管が露出した面に透明塗料を塗りつけ、導光管の保護とする。このようにして外乱光防止スクリーンおよび、投影用透過スクリーンとする。

上記で製造した外乱光防止スクリーンの出射面または入射面にスリガラス状の拡散透過板を配置し、投影用透過スクリーンとする。

上記で製造した外乱光防止スクリーンの出射面または入射面に梨地透明塗料を塗布し、投影用透過スクリーンとする。

スクリーン基材に接着性のある白色塗料を塗布し、導光素子片を隙間なく貼り付けることにより投影用反射スクリーンとする。

上記工程のうち、材料のファイバーを整列させ密着させる工程で、棒状の半製品を連続的に製造する方法を示す。ファイバーを巻き取った数百個のボビンと整列のためのくし状の２方向からの移動ガイド、固定ガイドを用いる。初期作業として、正確にガイドにファイバーを通す作業を行う。ファイバーの引き出し、塗料充填、乾燥、ガイドの引き上げ、棒状半製品の引き出し、ガイドの適用を繰り返せば、連続的に棒状の半製品を製造できる。

上記工程のうち、棒状半製品から、導光素子片を切り出す工程で、切断方向をファイバーの長さ方向に垂直ではなく、角度を持って切り出すことは容易にできる。このように導光素子の入射と出射方向を投影機と視察者に向けた投影用透過スクリーンが構成できる。この使用状態を示す模式図を図１３に示す。

上記のように導光素子片を角度を持って切り出し、入出射方向を投影機と視察者に向けた投影用反射スクリーンが構成できる。この使用状態を示す模式図を図１４に示す。

本発明は、テレビや液晶モニタなどの表示機に取り付けて使用する外乱光防止スクリーンとして産業上利用できる。また、投影機、映写機、ビデオプロジェクターなどから投射される画像を映写する投影用透過スクリーンおよび、投影用反射スクリーンとして産業上利用できる。

表示機、外乱光防止スクリーン、視察者、部屋の照明の位置関係を示す模式図。 投影機、透過スクリーン、視察者、部屋の照明の位置関係を示す模式図。 投影機、反射スクリーン、視察者、部屋の照明の位置関係を示す模式図。 光ファイバーの断面図。受光限界角θと入射角との関係。その１。 光ファイバーの断面図。受光限界角θと入射角との関係。その２。 本外乱光防止スクリーンの断面構造図。 導光板の構造の模式図。 。透過スクリーンの断面構造図 。反射スクリーンの断面構造図 （実施例１）導光板の平面の一部。 （実施例２）２種類の導光管径を用いる導光板の平面の一部。 （実施例３）３種類の導光管径を用いる導光板の平面の一部。 （実施例６）投影用透過スクリーンの使用状態を示す模式図。 （実施例７）投影用反射スクリーンの使用状態を示す模式図。

符号の説明

１ 反射防止スクリーンまたは、投影用透過スクリーン
２ 投影機（または映写機、プロジェクターなど）
３ 部屋の照明具（または周囲光）
４ 導光管（光ファイバー）
５ 光吸収材
６ 光ファイバー（コア層）
７ 光ファイバー（クラッド層）
８ 暗箱
９ 投影用反射スクリーン
１０ 投影機からの光線
１１ 照明具からの光線
１２ 入射方向
１３ 実施例６の投影用透過スクリーン
１４ 標準より径が細い導光管。
１５ 標準よりさらに径が細い導光管。
１６ 視察者（スクリーンを観察する者）
１７ 表示装置（テレビや液晶モニタなど）
１８ 表示装置の画素
１９ 実施例７の投影用反射スクリーン

Claims (12)

1. 光ファイバーを円筒型導光管として用い、この導光管円筒部全周に光吸収材料を配置し、導光管の一方の端面を入射面とし、他方の端面を出射面とし、この入射面または出射面へ入光する外乱光を入射角度により選択的に吸収する機能を持つ導光素子。この導光素子の長さについては、導光管の開口数の二乗の逆数から１を引いた値の平方根に導光管の直径を乗じた値よりも長くする事を条件とするため、導光素子の長さを短くできることを特長とする。
2. 請求項1の導光素子を、導光管の長さ方向と垂直または垂直を基準とした一定の角度の平面に複数並べてその隙間を光吸収材料を充填した導光素子片を、平面上に隙間無くならべた導光板。請求項１の条件により、薄く構成できることを特長とする。
3. 導光管の直径を、標準と標準の15.5％以内の小径のものと２種類用いて混在させ透過光量の効率を向上させた請求項２の導光板。
4. 導光管の直径を、標準と標準の15.5％以内の径のもの、標準の6.2％以内の径のものと、３種類用いて混在させ透過光量の効率を向上させた請求項２の導光板。
5. プラスティック光ファイバーを複数本束ねて光吸収材を染み込ませることにより結束させかつ隙間に光吸収材を充填し、乾燥後、この束をその長さ方向と垂直または垂直を基準に一定の角度で切り出した導光素子片を、隙間無く平面状に結合させた請求項２の導光板の製造方法。および、この製造方法により作成した請求項２乃至請求項３乃至請求項４の導光板
6. 請求項２乃至請求項３乃至請求項４の導光板を、表示装置の出射平面の形状に作成した外乱光防止スクリーン。表示装置の出射面に取り付けることにより、入射角度により選択的に外乱光を吸収できることを特長とする。
7. 請求項２乃至請求項３乃至請求項４の導光板を、投影する面の形状に作成し投影機からの映像を映写することを目的とする投影用透過スクリーン。入射角度により選択的に外乱光を吸収できることを特長とする。
8. 請求項２乃至請求項３乃至請求項４の導光板の出射面または入射面に拡散透過板を配置した、請求項６の外乱光防止スクリーンおよび、請求項７の投影用透過スクリーン。
9. 請求項２乃至請求項３乃至請求項４の導光板の出射面または入射面に表面が梨地となる透明塗料を塗布した、請求項６の外乱光防止スクリーンおよび、請求項７の投影用透過スクリーン。
10. 請求項２乃至請求項３乃至請求項４の導光板の片面に拡散反射材を配置した反射板。および、この反射板を投影面の形状に作成した投影用反射スクリーン。入射角度により選択的に外乱光を吸収できることを特長とする。
11. 導光素子入射面に表面が梨地になるような透明塗料を塗布して、スクリーン表面全体が鏡面となることを避けるように製造した、請求項１０の投影用反射スクリーン
12. 反射面を区分し、導光管の長さ方向と基盤との角度をこの区分した位置により設定して、特定の方向からの外乱光および投影光の選択能力を向上させた請求項１０乃至請求項１１の投影用反射スクリーン。

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