JP2006072370A - マイクロレンズアレイ型のプロジェクションスクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】所定の水平方向の視野角及び垂直方向の視野角を確保したプロジェクションスクリーンを提供する。
【解決手段】本発明は、複数のマイクロレンズ302を装着するように形成された基板301と、基板の全体面に配列して形成された多数のマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイが形成された基板表面の裏面に形成された光遮断層304と、該光遮断層の底面に形成された光拡散層と、該光拡散層の底面に形成された保護層とを含む。これにより、高い輝度を有しマイクロレンズアレイの微細ピッチ化を通じて高解像度の映像を得ることができ、水平及び垂直方向に相違する放射角特性を有する方向性光拡散層シートを適用して広い水平視野角を維持しながら、垂直視野角の制御を容易かつ任意に調節することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、マイクロレンズアレイ型のプロジェクションスクリーンに関し、特に、マイクロレンズアレイシートと、入射平行光に対し特定の方向に従って相違する放射特性を有する、即ち任意の角度分布を有する光拡散層を同時に利用して視野角を制御できるプロジェクションスクリーンに関する。

近来、ますます強くなる大画面、高画質の平板ディスプレイに対する要求に対して、これに対応する高画質、大面積を有する多様なディスプレイが提供されており、このうち、最近に至り大きな画面を選好する需要者の要求に従って、小さな画面に形成された画像を拡大して見るようにしたプロジェクションテレビジョンシステムの技術が急速に発展している。

前記プロジェクションシステムの技術は、陰極線管や液晶表示装置(LCD)、ＤＬＰ(digital light processor)、反射型液晶パネルＬＣＯＳ(liquid crystal on silicon)などのマイクロディスプレイに形成された小さな画像を拡大投射してプロジェクションスクリーンにイメージング(結像)させることにより、使用者をして大きな画面で見ることができるようにする技術である。

プロジェクションディスプレイシステムは、光源から投射されたイメージをスクリーンに拡大投射して視聴者に最終のイメージを提供するシステムである。後方プロジェクションスクリーンの性能は、ゲイン(利得)、視野角、コントラスト、解像度などの特性によって決定されるが、このような様々な特性の中、プロジェクションテレビジョンのように同時多数の使用者が視聴する場合、水平ばかりでなく垂直方向に広い視野角を有するスクリーン特性が要求されることもあり、従来の製品である円筒形態のレンチキュラレンズを利用したスクリーン製品の場合のように、水平方向に視野角の広い特性が要求されるなど、需要者の要求に合う視野角の調節が必要である。
図１及び図２ａ〜図２ｃは、従来の後方投射型テレビジョンとスクリーン１００の構成を概略的に図示している。

先ず、図１を参照すると、前記後方投射型テレビジョンは、光源ランプ及び光学器械部１０２、ミラー１０１、投射レンズなどで構成されている。

図２ａ〜図２ｃを参照すると、前記スクリーン１００は、フレネルレンズ２０５(Fresnel lens)、マイクロレンズアレイシート２０１、光遮断層２０２、光拡散層２０３、保護層などを含むハードコーティング部２０４などによって構成される。

図２ｃは、従来プロジェクションスクリーンの構造の中、レンチキュラスクリーンの構造を概略的に図示した正面図、背面図及び切断線Ａ−Ｂの断面図を表している。

図２ａ〜図２ｃに図示されているように、プロジェクションスクリーンは、レンチキュラ構造を含むマイクロレンズアレイシート２０１と、フレネルレンズ２０５とによって構成されている。

従来の後方投射スクリーンに使用されるレンズは、視野角を水平方向に拡大させるためにレンチキュラアレイを使用するが、レンチキュラレンズは垂直方向に長く伸びた半円筒形態であるため、水平方向にのみ曲面が形成され入射光が左右方向にのみ屈折する特性を有している。しかし、垂直方向の視野角の確保は光拡散層２０３に依存する他はないので、視聴者には垂直方向の制限された視野角以外は暗く見えることになり、垂直方向への視野角は、略１０度程度に限られる。

従って、水平だけでなく垂直方向により広い視野角を有すると共に、従来の水平方向に広い視野角を有するようにするレンチキュラレンズ構造を有するスクリーン以上の水平視野角の分布を実現するスクリーンが必要となった。

本発明の目的は、前記のような問題を解決するために案出された発明であり、マイクロレンズアレイを通じてプロジェクションスクリーンにイメージングされた像が、所定の水平方向の視野角及び垂直方向の視野角を確保すると同時に、高い輝度を有しマイクロレンズアレイの微細ピッチ化を通じて高解像度の映像を得ることができ、水平及び垂直方向に相違する放射角特性を有する方向性光拡散層シートを適用して広い水平視野角を維持しながら、垂直視野角の制御を容易かつ任意に調節できる後方投射スクリーンの光学シートを提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明のマイクロレンズアレイ型のプロジェクションスクリーンは、複数のマイクロレンズを装着するように形成された基板と、前記基板の全体面に配列して形成された多数のマイクロレンズアレイと、該マイクロレンズアレイが形成された前記基板表面の裏面に形成された光遮断層と、前記光遮断層の底面に形成された光拡散層と、前記光拡散層の底面に形成された保護層と、を含むことを特徴としている。

本発明において、前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズは、平面凸レンズによって形成されることが好ましい。
本発明において、前記マイクロレンズは、球面または非球面であることが好ましい。
本発明において、前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズは、水平と垂直の曲率が異なることが好ましい。

本発明において、前記マイクロレンズは、ハニカム(蜂の巣)形、四角形、三角形、菱形のいずれかの形態で配列されることが好ましい。
本発明において、前記マイクロレンズアレイの隣接マイクロレンズ間のピッチは、１５０μｍ以下であることが好ましい。
本発明において、前記光拡散層は、少なくとも1以上の表面にホログラフィックな形状の凹凸を有することが望ましい。

本発明において、前記光拡散層は、少なくとも１以上の表面にレンチキュラレンズアレイを包含し、前記レンチキュラレンズアレイは、規則的な配列を有するか不規則的な形態の配列をなすことが好ましい。

本発明において、前記光拡散層は、少なくとも1以上の表面に凸部と凹部が交互にある凹凸を包含し、前記凹凸は、規則的なまたは不規則的な配列をなすことが好ましい。
本発明において、前記光拡散層は、内部に光拡散性微粒子を包含し、前記光拡散性微粒子は、一定方向または不規則的に配列されることが好ましい。

前記マイクロレンズは、平面凸レンズで形成するのが望ましく、前記マイクロレンズの形状は、方向に従って光出射角が異なるように制御することができるように水平と垂直の曲率が相違する形態を有するようにし、その配列は、ハニカム形、直六角形を含む六角形、ダイヤモンド形態の菱形、直四角形、または三角形などの形態でなることが効果的である。
さらに、前記基板に配列されたマイクロレンズ間の間隔は殆ど無い、即ち、前記間隔の充填率を１００％に近くすることによって光効率の極大化を図ることができる。

一方、前記基板に形成されたマイクロレンズの配列は、マイクロレンズの周縁部が互に重なるように構成することもできる。

この場合、前記周縁部が重なるように構成された前記マイクロレンズの境界面の切断面は任意の曲率を有するように形成するのが好ましい。

また、前記マイクロレンズの形状は球面または非球面とすることもできる。
また、前記マイクロレンズの光出射角の範囲は、レンズ平面の法線に対して横軸で左右出射角が３０度以上に、縦軸で上下出射角が１０度以上に形成されることが望ましい。

光出射角とは、前面ゲイン値を基準にして半分を得る角度を言う。上述のように、光出射角は、マイクロレンズアレイの形態だけでなく方向性を有する光拡散層によって制御が可能である。

また、前記基板はマイクロレンズの成形のときに必要なサポート役割をするようにポリマーの材質で形成するのが効果的であり、ＰＥＴなどが材料として利用可能である。 マイクロレンズアレイを形成する樹脂とサポート役割のシートの材料は高い透過度を有すると共に、屈折率は１．５以上のものを使用する。

なお、前記マイクロレンズの夫々に対応するように整列された光出射口が、前記マイクロレンズアレイ面の裏面に設けられるのが好ましい。
また、前記光出射口を除く全体の面が黒色光遮断層で形成されるのが効果的である。

前記光遮断層は、全体の面積に対し約50％以上にして輝度対比を一定のレベルに維持するようにする。光遮断層が接する面は光拡散層であって、光の方向を制御することができる性能を有する。前記光拡散層をマイクロレンズアレイシートに接着させることにより水平・垂直方向に対する視野角の制御及び拡張が可能である。

このように、前記光拡散層は、ホログラフィー原理を利用して製作された光拡散層、表面の垂直方向に円筒形の凸形レンチキュラレンズアレイでなる光拡散層、または、凹形のレンズアレイでなる光拡散層、表面に陽刻と陰刻が交互にある凹凸でなる光拡散層、または、内部に光拡散性微粒子を包含し、前記光拡散性微粒子が一定方向または不規則的に配列されている光拡散層などを例に挙げることができる。

さらに、表面光拡散層の場合、適切に視野角を制御するためにレンズアレイがマイクロレンズアレイシートの方向またはその反対方向に接着されて使用されることもできる。

ホログラフィック光拡散層は、ホログラフィーの原理を利用して光の拡散効果を有するように拡散層を製作する方法であって、回折効果を通じて所望の方向に光が拡散されるように設計することができる。

また、微粒子によって形成されているボリューム光拡散層の場合、微粒子の配列、量及び密度に従って拡散角及び曇りの程度が変わるので、適切な性能の光拡散層を選択してマイクロレンズアレイシートに付着させる。
なお、前記光拡散層は、上述の光拡散層を１つ以上組合わせて構成することもできる。

上述のように、本発明は、追加の工程並びに設計を必要とする非球面以外の球面レンズの配列においても視野角の調節が可能であり、製造コストの低減と共に、需要者が要求する多様な視野角分布を有するスクリーン製品を容易に商品化できるメリットがある。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
なお、別添の図面において同一の構成要素に対しては別の図面においても同一の符号を付与し、本発明の要旨を構成しないと判断される公知機能及び構成についてはその詳細な説明を省略する。

図３は、本発明の１実施形態によるプロジェクションスクリーンのマイクロレンズアレイシートと光遮断層及びその断面図を表す図面である。

実施形態において、前記図３には、プロジェクションスクリーンのハニカム形配列形態のマイクロレンズアレイが形成された基板３０１とマイクロレンズの構成を図示した正面図と、光遮断層３０４を表す後面図及び切断線Ａ−Ｂの断面図を表している。

プロジェクションスクリーンにおいて、従来のレンチキュラレンズアレイは、シリンダー型の形態で水平方向にのみ曲面が形成され、水平方向にのみ屈折するため、垂直方向の視野角は一定のレベル以上確保することが難しい反面、本発明の実施形態であるプロジェクションスクリーンのマイクロレンズアレイは、ハニカム形態で形成され水平・垂直方向にすべて曲面を有するため、相当レベルの視野角を確保することができ、これはマイクロレンズを装着してサポートするように形成された基板３０１と、基板の上面に緻密に配列されたハニカム形態の多数のマイクロレンズ３０２とによって構成される。

ここで、マイクロレンズ３０２は、楕円形または六角形或は四角形の単位マイクロレンズが２次元的に配列され形成された、平面−凸レンズの球面または非球面形態のマイクロレンズによって構成することもできる。

なお、基板３０１は、マイクロレンズ３０２を成形するときに必要とするサポーターの役割をする透明なポリマー材質により形成される。また、予め決められたサイズの前記単位マイクロレンズは約１５０μｍ以下のピッチで配列される。また、前記ピッチはモアレ(moire)の防止を考慮して設計する。

一方、前記のように成形されたマイクロレンズアレイの透明基板３０１の後面には夫々の個別レンズに対応して整列された光出射口３０３を設けると共に、光出射口３０３を除く全体の面は黒色の光遮断層３０４によって構成される。

ハニカム形状のマイクロレンズアレイ構造も全体の光出力を均一に維持し、垂直方向の視野角を確保しながら一定の輝度を維持するためには、適切なレンズ形状のデザインが必要である。

即ち、個別レンズの形状は図４に図示されているように、上下方向に長く六角形態に近いハニカム形状配列、四角形状配列、三角形状配列などで形成するのが好ましい。
また、前記基板３０１に形成されたマイクロレンズ３０２の配列はマイクロレンズの周縁部が互に重なるように形成することにより、基板全体の面積に対するマイクロレンズが占める面積比率を高めることになる。

さらに、マイクロレンズ３０２は、光出射角を調節するためにレンズの上下・左右の曲率が相異するように形成することを特徴とし、前記マイクロレンズの曲率は、上述のように各マイクロレンズの上下・左右の長さを含めて各レンズの高さ及び夫々の非球面定数値によって決定される。

前記マイクロレンズの光出射角の範囲はレンズ平面の法線に対して横軸で左右出射角は３０度以上に、縦軸で上下出射角は１０度以上に形成されることを特徴とする。

前記のように、多様な形状を有するマイクロレンズをプロジェクションスクリーンに適用することによって、前記ハニカム形状のマイクロレンズが適用された実施形態の場合と同様に水平方向の視野角を確保すると同時に優れた垂直方向の視野角を確保するなどの効果を得ることができる。

図５ａ〜図５ｃは、幾つかの光拡散層を装着したスクリーンの例を示している。表面の形状によって制御される表面光拡散層は、レンチキュラ形状(カマボコ形)光拡散層５０１ａ、５０１ｂ、ホログラフィック特性を有する光拡散層５０１ｃ、凹凸構造を有する光拡散層などがあり、光拡散層の内部に配列された光拡散性微粒子(bead)の配列の調節などを通じて光の方向性を有するボリューム光拡散層などを付着することによって水平・垂直方向の視野角を需要者の要求に合わせて調節することができるスクリーン構造を表している。

即ち、図5aは、レンチキュラ形状の光拡散層を図示している。図示のように前記レンチキュラ形状の光拡散層５０１ａは左右方向の円筒形状で形成されているので、マイクロレンズアレイ３０２から出る全ての方向の光分布が、レンチキュラ構造の光拡散層５０１ａを通過しながら左右方向により多くの光量を有せしめることによって、垂直方向の視野角を減少させながら水平方向の視野角を拡大することができる。

図５ｂは、光拡散層を凹形のレンチキュラ構造を利用する例を図示している。凹形レンチキュラ構造のレンズアレイを利用して水平方向の視野角を拡張させることができる。

図５ｃは、ホログラフィック光拡散層５０１ｃを利用する例を示している。ホログラフィック光拡散層５０１ｃは、数マイクロメートルの微細パターンの幅、深さ及び縦横比などによって左右・上下の光拡散角分布の制御が可能であり、周期の無い構造的特性は、波長に依存することなしにモアレ及び色収差を最小化することができる特徴がある。

このようなホログラフィック光拡散層５０１ｃは、単面を利用することができ、また両面を利用することもできる。
レンチキュラ形状光拡散層５０１ａ，５０１ｂ及びホログラフィック光拡散層５０１ｃは、マイクロレンズアレイの側にまたはその反対面に付着させて使用が可能であり、薄板化して一体形に製作するのが一般的であるが、分離して使用することもできる。

図６ａは、従来のレンチキュラレンズアレイと本発明の実施形態によるハニカム形態のマイクロレンズアレイ間の視野角及び光輝度の側面における比較グラフであって、視野角による水平方向の輝度と垂直方向の輝度を図示している。

図面において、実線はハニカム形状マイクロレンズの視野角に対する輝度を表し、点線は従来のレンチキュラレンズの視野角による輝度を表している。前記グラフに示されているように、ハニカム形状のマイクロレンズが使用された場合と、従来のレンチキュラレンズが使用された場合とを比較するとき前者においては構造的に垂直方向にも光が屈折することによって、垂直方向の視野角を大きく確保することができるメリットを示している。

さらに、ハニカム形状レンズは、視野角の確保の側面以外にも半導体工程技術を適用することができて微細なピッチの製作が可能であるため、解像度を高めるメリットも併せて有している。

また、ハニカム形状マイクロレンズの底面は、間隙を最小化して充填させることができる構造を有しているので、レンズとレンズ間の間隙を最小化して、充填率(fill factor)を極大化し、従来の構造と比べて光効率を高めることができる。

また、プロジェクションスクリーンの構成要素に含まれている光拡散層は、基本的にバックライトから投射される光を空間的に均一に分布させ画面全体の輝度を一定に維持する役割とともに、透過損失を最小化しスペックル(speckle)や色調(color tone)などを調整する役割を果たしている。

本発明においては、追加的に光の分布に対して方向性を有する光拡散層を設けて、水平及び垂直方向の視野角を視聴者の好みに合わせる変化を可能にしている。このような光拡散層の機能を有する商品化された製品は相当出市されているので、適当な製品を使用して視野角を制御することができる。

図６ｂは、レンチキュラレンズ構造を有する光拡散層を使用した例を示している。このような光拡散層を使用することにより水平視野角の拡大及び垂直視野角の縮小によって既存レンチキュラレンズ構造のスクリーンと同等水準以上に視野角を制御することができることを示している。これは１つの例として挙げているが、視野角の分布は、光拡散層及びマイクロレンズアレイ構造を調節して多様に調整することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を参照して詳細に説明したが、当業者であれば本発明の請求範囲に記載されている思想・領域から外れない範囲内で多様に修正/変更が可能であることは勿論であろう。

従来のプロジェクションテレビジョンの内部構成図である。 プロジェクションテレビジョン投射スクリーンの一般的な構造図である。 フレネルレンズを含むプロジェクションテレビジョン投射スクリーンの構成図である。 従来プロジェクションスクリーンの構造でのレンチキュラスクリーンの構造を概略的に示す模式図である。 本発明の１実施形態によるマイクロレンズアレイシートの平面図と断面図及び光遮断層の断面図である。 本発明の１実施形態によるマイクロレンズの多様な配列形態を示す図面である。 (a)は、本発明の１実施形態に係るレンチキュラ形状の光拡散層、(b)は、凹形のレンチキュラ構造の光拡散層、(c)は、ホログラフィック光拡散層をそれぞれ示す、本発明の１実施形態に係る多様のマイクロレンズアレイスクリーンの断面図である。 本発明の１実施形態による方向性を有する光拡散層を適用した２つの場合(a)(b)における視野角の変化を表すグラフである。

符号の説明

301・・・・・基板 302・・・・・マイクロレンズ
303・・・・・光出射口 304・・・・・光遮断層
501a〜501c・・・・光拡散層 502・・・・・ハードコーティング及び保護部

Claims (17)

1. 複数のマイクロレンズを装着するように形成された基板と、
   前記基板の全体面に配列して形成された多数のマイクロレンズアレイと、
   該マイクロレンズアレイが形成された前記基板表面の裏面に形成された光遮断層と、
   前記光遮断層の底面に形成された光拡散層と、
   前記光拡散層の底面に形成された保護層と、
   を含むことを特徴とするマイクロアレイ型のプロジェクションスクリーン。
2. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズは、平面凸レンズによって形成されることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
3. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズは、球面または非球面であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
4. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズは、水平と垂直の曲率が異なることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
5. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズは、ハニカム形、四角形、三角形、菱形のいずれかの形態で配列されることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
6. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズ間の間隔は、充填率が９５％以上になるように決定されることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
7. 前記マイクロレンズアレイをなすマイクロレンズの光出射角の範囲は、レンズ平面の法線に対して横軸で左右出射角が３０度以上になることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
8. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズの光出射角の範囲は、レンズ平面の法線に対して縦軸で上下出射角が１０度以上に形成されることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
9. 前記マイクロレンズアレイをなす複数のマイクロレンズアレイにおける隣接マイクロレンズ間のピッチは、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
10. 前記基板は、ポリマー材料によって形成されることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
11. 前記重合体の材質は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を使用することを特徴とする請求項１０記載のプロジェクションスクリーン。
12. 前記光遮断層は、光が通過する光出射口と光を遮断するブラックマトリックスを含むことを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
13. 前記ブラックマトリックスは、光遮断層の全体面積の５０％以上を占めることを特徴とする請求項１２記載のプロジェクションスクリーン。
14. 前記光拡散層は、少なくとも１以上の表面にホログラフィックな形状の凹凸を有することを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
15. 前記光拡散層は、少なくとも１以上の表面にレンチキュラレンズアレイを包含し、前記レンチキュラレンズアレイは、規則的なまたは不規則的な配列をなすことを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
16. 前記光拡散層は、少なくとも１以上の表面に凸部と凹部が交互にある凹凸を包含し、該凹凸は、規則的なまたは不規則的な配列をなすことを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
17. 前記光拡散層は、内部に光拡散性微粒子を包含し、該光拡散性微粒子は、一定方向または不規則的に配列されることを特徴とする請求項１記載のプロジェクションスクリーン。
    

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