JP2006011117A - フレネルレンズ、透過型スクリーン及び背面投射型ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏心した光軸を有するフレネルレンズを用いることにより、背面投射型ディスプレイ装置の薄型化を図った場合であっても、映像光のロスを極力少なくする。
【解決手段】 フレネルレンズ３０のレンズ本体３１の出射面側に、フレネルレンズ部３３を設け、レンズ本体３１の入射面側に、光軸上に配置されるプロジェクタから投射された映像光を略垂直に入射させる入射面３６Ａを有する単位プリズム３６が配列されてなるプリズム部３４を設ける。単位プリズム３６の頂角３６Ｂを略直角とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えばリアプロジェクションテレビなどの背面投射型ディスプレイ装置の透過型スクリーンに用いられるフレネルレンズに関するものである。

従来より、透過型スクリーンを備えた背面投射型ディスプレイ装置として知られるリアプロジェクションテレビは、光源としてのプロジェクタから投射される映像光を、反射鏡によって反射させて略長方形平板状をなす透過型スクリーンの背面に入射させることにより、この透過型スクリーンの前面側に位置する観察者が、透過型スクリーンを透過して出射する映像光を観察することができるように構成されたものである。

透過型スクリーンは、入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部を有するフレネルレンズと、このフレネルレンズからの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）に拡散させる拡散レンズ部を有するレンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）と、このレンチキュラーレンズシートからの出射光をスクリーンの上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散層とを備えている（例えば特許文献１参照）。

また、透過型スクリーンに用いられるフレネルレンズのレンズ本体は、レンズ基板における例えばレンチキュラーレンズシート側を向く片面に、同心円状に配列された複数の単位レンズからなるフレネルレンズ部がレンズ本体の出射面側に位置するように設けられて構成されており、このフレネルレンズの光軸（複数の単位レンズがなす同心円の中心）は、レンズ本体の中心と一致させられている。
このような透過型スクリーンの背面に入射する映像光は、まず、フレネルレンズにより略平行光となり、次いで、レンチキュラーレンズシートによりスクリーンの左右方向に拡散するとともに拡散層によりスクリーンの上下方向に拡散する。これにより、スクリーン左右方向及び上下方向の視野角が制御される。
特開２００２−１７４７０３号公報

ところで、最近では、上記のような光軸とレンズ本体の中心とが一致したフレネルレンズではなく、光軸がレンズ本体の中心を通るレンズ本体の短辺に沿う方向においてレンズ本体の中心から外れた位置を通るように配置されたフレネルレンズを用いて透過型スクリーンを構成することにより、リアプロジェクションテレビの薄型化を図ることが考えられている。
つまり、フレネルレンズの光軸上に配置されるプロジェクタから投射される映像光を、従来よりも大きな入射角度でフレネルレンズのレンズ本体に対して斜めに入射させることにより、リアプロジェクションテレビの薄型化を図ろうとしているのである。

しかしながら、一般的なフレネルレンズでは、フレネルレンズ部がレンズ本体の出射面側に位置するように設けられ、レンズ本体の入射面は略平坦面とされていることが多いため、映像光の入射角度が大きくなるのにしたがい、この映像光が入射面において反射する割合が大きくなって、映像光のロスが大きくなってしまうという問題があった。このような入射角度の増大に起因した映像光のロスの影響は、入射角度が約６０°よりも大きくなる領域でとくに顕著になる。
この問題を解決するため、フレネルレンズ部がレンズ本体の入射面側に位置するように設けられ、入射光をフレネルレンズ部で全反射させることによってこの入射光の方向を整えて出射光とする全反射型フレネルレンズを用いることがあるが、このような全反射型フレネルレンズでは、形状が複雑で量産に適さないのに加えて、形状の複雑さによるノイズ光の増大を招いてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、偏心した光軸を有するフレネルレンズを用いることにより、背面投射型ディスプレイ装置の薄型化を図った場合であっても、映像光のロスを極力少なくすることができるフレネルレンズと、このフレネルレンズを用いた透過型スクリーンと、この透過型スクリーンを用いた背面投射型ディスプレイ装置とを提供することを目的としている。

上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明によるフレネルレンズは、入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部が出射面側に設けられた略長方形平板状のレンズ本体を有し、光軸が前記レンズ本体の中心を通る前記レンズ本体の短辺に沿う方向において前記中心から外れた位置を通るように配置されたフレネルレンズであって、前記レンズ本体の入射面側に、前記光軸上に配置される光源から投射された映像光を略垂直に入射させる入射面を有する単位プリズムが配列されてなるプリズム部が設けられていることを特徴としている。
また、本発明による透過型スクリーンは、本発明のフレネルレンズと、前記フレネルレンズからの前記出射光を拡散させる拡散レンズシートとを備えていることを特徴としている。
また、本発明による背面投射型ディスプレイ装置は、本発明の透過型スクリーンと、前記フレネルレンズの光軸上に配置され、前記フレネルレンズに映像光を投射する光源とを備えていることを特徴としている。

本発明のフレネルレンズでは、まず、その光軸がレンズ本体の中心から外れるように配置されていることから、このフレネルレンズを備えた透過型スクリーンによって構成される背面投射型ディスプレイ装置の薄型化を図ることが可能となっている。
ここで、上記のように光軸が偏心したフレネルレンズを用いたことにより、このフレネルレンズのレンズ本体に入射する映像光の入射角度が大きくなってしまう。しかしながら、本発明においては、フレネルレンズのレンズ本体の入射面側に上記プリズム部を設けたことにより、レンズ本体に対して大きな入射角度で入射するように見える映像光が、実際には、レンズ本体の入射面側に設けられたプリズム部における単位プリズムの入射面に対して略垂直に入射するようになっている。そのため、反射によって生じる映像光のロスを極力少なくして、透過型スクリーン上に暗い画像が表示されてしまうのを防止することができる。

また、本発明においては、前記単位プリズムの頂角が略直角とされていることが好ましい。このような構成とすると、隣接する単位プリズムの入射面に対して入射する映像光同士の間に無効光線を生じさせることがなくなり、映像光のロスをより少なくすることができる。
さらに、本発明においては、前記プリズム部のピッチＰｉと、前記フレネルレンズ部のピッチＰｆとの関係が、Ｐｉ≦Ｐｆ・３／４あるいはＰｉ≧Ｐｆ・４／３を満たしていることが好ましい。このような構成とすると、周期構造であるプリズム部と同じく周期構造であるフレネルレンズ部とが重なったときに生じるおそれのあるモアレと称される干渉縞の発生を確実に抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本実施形態による背面投射型ディスプレイ装置としてのリアプロジェクションテレビ１０は、図１に示すように、筐体１１と、前面側（図１中の右側）を筐体１１の外部へ露出させるとともに背面側（図１中の左側）を筐体１１の内部へ露出させた略長方形平板状をなす透過型スクリーン２０と、筐体１１内に配置され、透過型スクリーン２０の背面に対して映像光を投射する光源としてのプロジェクタ１２と、同じく筐体１１内に配置され、プロジェクタ１２から投射される映像光の光路を偏向させる例えば２枚の反射鏡１３，１４とを備えている。

透過型スクリーン２０は、図２に示すように、入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部３３を有するフレネルレンズ３０と、このフレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）に拡散させる拡散レンズ部４４を有するレンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）４０と、このレンチキュラーレンズシート４０からの出射光をスクリーンの上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散層５０とを備えている。
これらフレネルレンズ３０、レンチキュラーレンズシート４０、拡散層５０は、透過型スクリーン２０の背面側（図２中の左側）から前面側（図２中の右側）にかけて順次配置されているとともに、互いに略平行となるように配置されている。

フレネルレンズ３０のレンズ本体３１は、図２及び図３に示すように、略長方形平板状をなすレンズ基板３２におけるレンチキュラーレンズシート４０側を向く片面（透過型スクリーン２０の前面側を向く片面）に、フレネルレンズ部３３がレンズ本体３１の出射面側に位置するように設けられ、かつ、レンズ基板３２における透過型スクリーン２０の背面側を向く片面に、プリズム部３４がレンズ本体３１の入射面側に位置するように設けらて構成されている。

フレネルレンズ部３３は、複数の単位レンズ３５が同心円状に配列されてなるものであり、各単位レンズ３５は、後述するプロジェクタ１２から投射された映像光を屈折させてこの映像光の方向を整えて略平行光として出射するための屈折面３５Ａを有している。
本実施形態において、フレネルレンズ部３３の複数の単位レンズ３５がなす同心円の中心を通ってレンズ本体３１の法線に沿う方向、つまり、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１は、図２に示すように、レンズ本体３１の中心Ｐ２を通るレンズ本体３１の短辺に沿う方向（スクリーン上下方向）においてレンズ本体３１の長辺よりも外側でレンズ本体３１から外れた位置を通るように配置されている。

プリズム部３４は、複数の単位プリズム３６が例えば同心円状に配列されてなるものであり、各単位プリズム３６は、後述するプロジェクタ１２から投射された映像光を略垂直に入射させるための入射面３６Ａを有している。
また、本実施形態において、プリズム部３４の複数の単位プリズム３６がなす同心円の中心は、例えば上記の光軸Ｐ１と略一致させられている。

さらに、複数の単位プリズム３６を、それらがなす同心円の中心を中心とする放射方向の断面で見たときには、各単位プリズム３６の頂角３６Ｂが略直角とされており、各単位プリズム３６は断面直角三角形状をなしている。
加えて、プリズム部３４のピッチＰｉ、つまりプリズム部３４を構成する複数の単位プリズム３６の配列ピッチＰｉは、フレネルレンズ部３３のピッチＰｆ、つまりフレネルレンズ部３３を構成する複数の単位レンズ３５の配列ピッチＰｆとの関係において、Ｐｉ≦Ｐｆ・３／４あるいはＰｉ≧Ｐｆ・４／３を満たすようになっている。

上記のような構成とされたフレネルレンズ３０は、その光軸Ｐ１を例えば下方側に位置させるようにして透過型スクリーン２０に備えられている。
そして、プロジェクタ１２から投射される映像光を透過型スクリーン２０の背面に入射させる、つまり、プロジェクタ１２から投射される映像光を透過型スクリーン２０の背面側に位置するフレネルレンズ３０に入射させると、このフレネルレンズ３０は、入射した映像光の方向を整えて略平行光としてからレンチキュラーレンズシート４０に向けて出射する。

ここで、プロジェクタ１２から投射される映像光の光路を反射鏡１３，１４によって偏向させていない状態を考えると、プロジェクタ１２は、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１上に配置されるために、図１中の２点鎖線で示すように透過型スクリーン２０の背面に対向する領域から例えば下方側に外れた領域に配置された状態となっている。
そして、このような配置とされるプロジェクタ１２から投射される映像光の光路を、透過型スクリーン２０の背面に対向配置されるとともに透過型スクリーン２０に対して略平行となるように配置される反射鏡１４とさらにもう一つの反射鏡１３とによって偏向させることにより、プロジェクタ１２が、筐体１１内において透過型スクリーン２０と反射鏡１４との間の領域から例えば下方側に外れた領域に配置されている。

また、フレネルレンズ３０のレンズ本体３１の中心Ｐ２を含むスクリーン上下方向の断面で見て図１から理解できるように、光軸Ｐ１上に配置されるプロジェクタ１２から投射されてフレネルレンズ３０のレンズ本体３１に入射する映像光の最大入射角度θmax、つまり、レンズ本体３１の一対の長辺のうちの光軸Ｐ１から離れた一方の長辺（図１における透過型スクリーン２０の上側の端部に相当）に対して入射する映像光が光軸Ｐ１に対してなす傾斜角度θmaxは、例えばθmax≧６０°を満たしている。
このような最大入射角度θmaxでフレネルレンズ３０のレンズ本体３１に入射する映像光を、上記プリズム部３４は、その単位プリズム３６の入射面３６Ａに対して略垂直に入射させるのであり、かつ、上記フレネルレンズ部３３は、その単位レンズ３５の屈折面３５Ａで屈折させて方向を整えて略平行光として出射するのである。

レンチキュラーレンズシート４０のシート本体４１は、図２に示すように、略長方形平板状をなすシート基板４２におけるフレネルレンズ３０側を向く片面（透過型スクリーン２０の背面側を向く片面）に、拡散レンズ部４４が設けられ、かつ、シート基板４２における拡散層５０側を向く片面（透過型スクリーン２０の前面側を向く片面）に、遮光部４５が設けられることによって構成されている。

拡散レンズ部４４は、略半円柱状をなす複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）４３が互いに略平行となるように配列されてなり、シート本体４１の入射面側に位置させられている。
この拡散レンズ部４４を構成する複数のシリンドリカルレンズ４３は、その長さ方向をスクリーンの上下方向（垂直方向）に略一致させており、フレネルレンズ３０から出射される映像光がレンチキュラーレンズシート４０に入射すると、このレンチキュラーレンズシート４０は、入射した映像光をスクリーンの左右方向（水平方向）で集光・拡散してストライプ状の光としてから拡散層５０に向けて出射する。なお、図２においては、説明上分かりやすくするため、シリンドリカルレンズ４３の長さ方向をスクリーンの上下方向（垂直方向）ではなく左右方向（水平方向）に略一致させて示してある。

遮光部（ＢＳ＝ブラック・ストライプ）４５は、複数のシリンドリカルレンズ４３によるストライプ状の非集光部を遮光するように、シート本体４１の出射面側に位置させられている。
これに対し、複数のシリンドリカルレンズ４３によるストライプ状の集光部に対応する領域は、シート本体４１の出射面側に位置させられた通過部４６とされており、シリンドリカルレンズ４３によって集光した映像光が、この通過部４６を通過するようにして拡散することになる。

拡散層５０は、略長方形平板状をなす基材中に拡散材が分散配置されることによって構成されており、レンチキュラーレンズシート４０から出射される映像光が拡散層５０に入射すると、この拡散層５０は、入射した映像光をスクリーンの上下方向（垂直方向）へ拡散してから透過型スクリーン２０の前面側に向けて出射する。

以上のような構成とされた本実施形態によるリアプロジェクションテレビ１０では、まず、透過型スクリーン２０に用いられるフレネルレンズ３０の光軸Ｐ１が、レンズ本体３１の中心Ｐ２を通るレンズ本体３１の短辺に沿う方向において、レンズ本体３１から外れた位置を通るように配置されている。
そのため、フレネルレンズ３０の光軸Ｐ１上に配置されるプロジェクタ１２を、反射鏡１３，１４によって映像光の光路を偏向させていない状態において、透過型スクリーン２０の背面に対向する領域から例えば下方側に外れた領域に配置することができている。

したがって、本実施形態によるリアプロジェクションテレビ１０において、プロジェクタ１２から投射される映像光の光路を透過型スクリーン２０の背面に対向配置された反射鏡１４によって偏向させるときには、この反射鏡１４が透過型スクリーン２０の背面に対して略平行となっていたとしても、プロジェクタ１２を透過型スクリーン２０と反射鏡１４との間の領域から例えば下方側に外れた領域に配置することができる。
このように、透過型スクリーン２０の背面に対向配置される反射鏡１４を透過型スクリーン２０に対して略平行となるように配置することができていると、従来では反射鏡１４の傾斜の分だけ必要となっていた筐体１１の奥行きが不必要になり、リアプロジェクションテレビ１０のさらなる薄型化を実現することができる。

ここで、上記のように光軸Ｐ１が偏心したフレネルレンズ３０を用いたことにより、このフレネルレンズ３０のレンズ本体３１に入射する映像光の入射角度が大きなっており、例えば、映像光の最大入射角度θmaxが６０°以上となっている。
しかしながら、本実施形態では、フレネルレンズ３０のレンズ本体３１の入射面側にプリズム部３４を設けたことによって、上記入射角度が大きくなることに起因した映像光の反射ロスの問題を解決することができている。

つまり、レンズ本体３１に対して大きな入射角度で入射するように見える映像光は、実際には、プリズム部３４を構成する複数の単位プリズム３６の入射面３６Ａに対して略垂直に入射しているため、反射によって生じる映像光のロスを極力少なくして、透過型スクリーン２０上に暗い画像が表示されてしまうのを防止することができるのである。
なお、ここで言う「略垂直」とは、映像光が単位プリズム３６の入射面３６Ａに対して入射するときに、映像光と入射面３６Ａとの交差角が、９０°±５°の範囲内に収まっていることである。

また、本実施形態では、プリズム部３４を構成する複数の単位プリズム３６のそれぞれについて、その頂角３６Ｂが略直角とされていることから、隣接する単位プリズム３６の入射面３６Ａに対して入射する映像光同士の間に無効光線を生じさせることをなくし、映像光のロスをより少なくすることができる。
なお、ここで言う「略直角」とは、単位プリズム３６の頂角３６Ｂが、９０°±５°の範囲内に収まっていることである。

さらに、本実施形態では、フレネルレンズ３０におけるプリズム部３４のピッチＰｉとフレネルレンズ部３３のピッチＰｆとの関係が、Ｐｉ≦Ｐｆ・３／４あるいはＰｉ≧Ｐｆ・４／３を満たすように設定されている。
そのため、複数の単位プリズム３６が配列されてなる周期構造であるプリズム部３４と、複数の単位レンズ３５が配列されてなる周期構造であるフレネルレンズ部３３とが、レンズ本体３１の両面側にそれぞれ設けられて重なっていたとしても、透過型スクリーン２０上にモアレと称される干渉縞が発生するのを確実に抑制することができる。

なお、本実施形態においては、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向に拡散させる拡散レンズシートとして、複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）４３が略平行に配列されてなる拡散レンズ部４４を有するレンチキュラーレンズシート４０を備え、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの上下方向に拡散させる拡散手段として、拡散層５０を備えているようにしたが、上記のような拡散レンズシートだけに限定されることはない。

例えば、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）及び上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散レンズシートとして、複数の単位レンズがマトリックス状に配列されてなる拡散レンズ部を有するマイクロレンズシートを備えているようにしてもよい。また、例えば、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）及び上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散レンズシートとして、複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列された第１のレンズアレイと複数のシリンドリカルレンズ（単位レンズ）が略平行に配列された第２のレンズアレイとがそれらのシリンドリカルレンズの長さ方向を互いに交差させるように同一平面上に配置されてなる拡散レンズ部を有するクロスレンチレンズシートを備えているようにしてもよい。なお、これらの場合でも、必要に応じて透過型スクリーン２０が拡散層５０を備えていてもよい。

さらに、例えば、透過型スクリーン２０が、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの左右方向（水平方向）に拡散させる拡散レンズシートとして、映像光を反射して拡散させる複数の単位レンズが配列されてなる拡散レンズ部を有するプリズムレンズシートを備え、フレネルレンズ３０からの出射光をスクリーンの上下方向（垂直方向）に拡散させる拡散手段として、拡散層５０を備えているようにしてもよい。なお、プリズムレンズシートにおける複数の単位レンズの形状・配列によっては、必ずしも拡散層５０を必要としない。

本発明の実施形態によるリアプロジェクションテレビの一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態による透過型スクリーンの一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態によるフレネルレンズの一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ リアプロジェクションテレビ（背面投射型ディスプレイ装置）
１２ プロジェクタ（光源）
２０ 透過型スクリーン
３０ フレネルレンズ
３１ レンズ本体
３２ レンズ基板
３３ フレネルレンズ部
３４ プリズム部
３５ 単位レンズ
３５Ａ 屈折面
３６ 単位プリズム
３６Ａ 入射面
４０ レンチキュラーレンズシート（拡散レンズシート）
５０ 拡散層
Ｐ１ フレネルレンズの光軸
Ｐ２ フレネルレンズのレンズ本体の中心

Claims (5)

1. 入射光の方向を整えて出射光とするフレネルレンズ部が出射面側に設けられた略長方形平板状のレンズ本体を有し、光軸が前記レンズ本体の中心を通る前記レンズ本体の短辺に沿う方向において前記中心から外れた位置を通るように配置されたフレネルレンズであって、
   前記レンズ本体の入射面側に、前記光軸上に配置される光源から投射された映像光を略垂直に入射させる入射面を有する単位プリズムが配列されてなるプリズム部が設けられていることを特徴とするフレネルレンズ。
2. 請求項１に記載のフレネルレンズであって、
   前記単位プリズムの頂角が略直角とされていることを特徴とするフレネルレンズ。
3. 請求項１または請求項２に記載のフレネルレンズであって、
   前記プリズム部のピッチＰｉと、前記フレネルレンズ部のピッチＰｆとの関係が、
   Ｐｉ≦Ｐｆ・３／４あるいはＰｉ≧Ｐｆ・４／３
   を満たしていることを特徴とするフレネルレンズ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のフレネルレンズと、
   前記フレネルレンズからの前記出射光を拡散させる拡散レンズシートとを備えていることを特徴とする透過型スクリーン。
5. 請求項４に記載の透過型スクリーンと、
   前記フレネルレンズの光軸上に配置され、前記フレネルレンズに映像光を投射する光源とを備えていることを特徴とする背面投射型ディスプレイ装置。
   

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