JP2006084563A - プロジェクションディスプレイ用スクリーン - Google Patents
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Abstract
【課 題】 拡散光強度分布特性の任意制御が可能であり、かつ拡散角度領域が特定の角度領域からの入射光に対して変化しない拡散フィルムの実現を目標とし、それをスクリーンとして用いた高品位プロジェクションディスプレイシステムの提供を目指した。
【解決手段】 隣接相互間で異なる屈折率を有して複数のステップインデックス型光導波路をなす複数の層11、12が、フィルム面内の一方向に並んだ縞を形成し、フィルム厚さ方向に対して所定の角度範囲に略トップハット型に分布する層傾き角度の方向に延在する構造、または、フィルム厚さ方向の一部位に、層厚さ方向に集光能力を発現する屈折率分布を有する光導波路をなす複数の層21が、所定の範囲に略トップハット型に分布する層長さをもってフィルム厚さ方向または該方向から傾いた方向に延在する構造、または、これらが組み合わさった構造を有する拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンである。
【選択図】 図1
Description
1)拡散光強度分布特性の任意制御が可能である、
2)拡散角度領域が特定の角度領域からの入射光に対して変化しない、
3)入射光のボケが少ない、
4)高い透過率および低い後方散乱を実現する、
5)入射光の偏光が保持される、
という優れた特性を実現する拡散フィルムの構造に想到した。
(発明項1) 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、隣接相互間で異なる屈折率を有して複数のステップインデックス型光導波路をなす複数の層が、フィルム面内の一方向に並んだ縞を形成し、フィルム厚さ方向に対して所定の角度範囲に略トップハット型に分布する層傾き角度の方向に延在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
(発明項2) 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、隣接相互間で異なる屈折率を有して複数のステップインデックス型光導波路をなす複数の層が、フィルム面内の一方向に並んだ縞を形成し、フィルム厚さ方向に対して所定の角度範囲に1または2以上のピークを含み該ピーク以外は略トップハット型に分布する層傾き角度の方向に延在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
(発明項3) 前記拡散フィルムの構造は、フィルム厚さLおよび縞の幅の最大値ymaxが次式を満たすものであることを特徴とする発明項1または2に記載のプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
(発明項4) 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、フィルム厚さ方向の一部位に、層厚さ方向に集光能力を発現する屈折率分布を有する光導波路をなす複数の層が、所定の範囲に略トップハット型に分布する層長さをもってフィルム厚さ方向または該方向から傾いた方向に延在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
(発明項5) 前記拡散フィルムの構造は、前記光導波路の屈折率分布がグラジエントインデックス型であり、層の傾き角度θ、層長さの最大値Lzmax、最小値Lzminおよび光導波路のピッチPが次式を満たすものであることを特徴とする発明項4記載のプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
(発明項6) 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、発明項1〜3のいずれかに記載の拡散フィルムと同じ構造の部分と発明項4または5に記載の拡散フィルムと同じ構造の部分とがフィルム厚さ方向またはフィルム面内方向に混在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
(発明項7) 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、発明項1〜3のいずれかに記載の拡散フィルムの構造と発明項4または5に記載の拡散フィルムの構造とが融合してなる構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
1)拡散光強度分布特性の任意制御が可能である、
2)拡散角度領域が特定の角度領域からの入射光に対して変化しない、
3)入射光のボケが少ない、
4)高い透過率および低い後方散乱を実現する、
5)入射光の偏光が保持される、
という優れた特性を備えたプロジェクションディスプレイ用スクリーンを実現することができる。
層傾き角度θLは、z軸に対する層境界の傾き角度で定義され、図2に示すように、フィルム(1)1の厚さ方向位置により最小傾き角度(θ−Δθmax)から最大傾き角度(θ+Δθmax)にかけての範囲内で変化する。ここで、θは平均傾き角度、ΔθmaxはθLのばらつき範囲の1/2であり、層傾き角度θLの座標系(値の符号)は、図2の右側に示すように、水平方向(z方向)から左回転方向(反時計回り)に+、右回転方向(時計回り)に−とした。
上記のような構造を有するフィルム(1)1内の各層はステップインデックス型光導波路と同等である。かかる層では、入射光を均一に拡散させるための層傾き角度の分布条件は、図3に示すように、層傾き角度θLの存在確率が所定の範囲((θ−Δθmax)〜(θ+Δθmax))でトップハット型(矩形波状)に分布するというものである。もっとも、実際には完全なトップハット型とするのは困難であるから、本発明では、層傾き角度の所定の範囲での存在確率が、その分布曲線において、プラトー部の存在確率がその平均値の±40%以内でばらつくこと、および立上り部と立下り部の各変域幅が分布曲線全体の最尤半値幅の±30%以内でばらつくことを許容し、略トップハット型に分布するものと規定した。
θ1 ’=sin-1[n1×sin{θ+Δθmax+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(1)
θ1 ”=sin-1[n1×sin{θ−Δθmax+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(2)
θ2 ’=−sin-1[n1×sin{−(θ+Δθmax)+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(3)
θ2 ”=−sin-1[n1×sin{−(θ−Δθmax)+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(4)
また、出射光拡散角度領域θoutは以下のように表される。
以上の入射角と出射角の関係を図4に示す。
nair×sinθ1 ’=n1×sinθ3 ‥‥ (A1)
次に、コア11に入った光がクラッド12との上側の界面で全反射するぎりぎりの角度、つまり臨界角は、次式で与えられる。
(A1)、(A2)式より、
θ1 ’= sin-1[n1×sin{θ+Δθmax+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(A3)
次に、導波路の下側の界面で決まる角の導出を行う。図15の入射側のフィルム界面にスネル則を適用すると、
nair×sin(−θ2’)=n1×sin(−θ4) ‥‥(A4)
次に、コア11に入った光がクラッド12との下側の界面で全反射するぎりぎりの角度(臨界角)は次式で与えられる。
(A4)、(A5)式より、
θ2 ’=−sin-1[n1×sin{−(θ+Δθmax)+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(A6)
以上が、層傾き角度(θ+Δθmax)の場合の上側、下側のコア/クラッド界面で決まる角θ1 ’とθ2 ’の導出である。
θ1 ”=sin-1[n1×sin{θ−Δθmax+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(A7)
θ2 ”=−sin-1[n1×sin{−(θ−Δθmax)+cos-1(n2/n1)}] ‥‥(A8)
となり、4つの角度の導出が完了する。
z方向に対する層21の相互界面の角度(層の角度)θは0°(層21の延長方向がフィルム面に垂直)であってもよい。層21の層長さ(フィルム厚さ方向の長さ)をLzmin〜Lzmaxとする。図6に示すように、z軸、y軸をx軸の回りに角度θだけ回転させたものをa軸、b軸とする。すなわちb軸は層の厚さ方向に平行、a軸はb軸とx軸に垂直である。
ここで、入射光を均一に拡散させるための層長さの条件は、層傾き角度θ、層長さの最大値Lzmax、最小値Lzminおよび光導波路のピッチPを用いて次式で表される。
P=2×π/√A ‥‥(8)
A=(8/b1 2)×(n1−n2)/n1 ‥‥(9)
このとき、層長さの存在確率は図8に示すようにトップハット型に分布するのが理想であるが、実際には完全なトップハット型とするのは困難であるから、本発明では、Lzmin〜Lzmaxの範囲での層長さの存在確率が、その分布曲線において、プラトー部の存在確率がその平均値の±40%以内でばらつくこと、および立上り部と立下り部の各変域幅が分布曲線全体の最尤半値幅の±30%以内でばらつくことを許容し、略トップハット型に分布するものと規定した。
θNA1=sin-1{ng×sin(θ+θg1)} ‥‥(11)
θNA2=sin-1{ng×sin(θ−θg1)} ‥‥(12)
sinθg1=(n1/ng)×sin{tan-1(n1×√A×b1/2)} ‥‥(13)
また、出射光拡散角度領域θoutは以下のように表される。
以上の入射角と出射角の関係を図9に示す。
θ−tan-1(n1×√A×b1/2) 〜 θ+tan-1(n1×√A×b1/2) ‥‥(15)
の範囲で進行方向を変えながら伝搬することから、層長さの存在確率の違いにより拡散光強度分布特性が決定される。
n(r)=n1×(1−A/2×r2) ‥‥(B1)
で与えられるとする。ここで、n1は中心軸上の屈折率、Aは屈折率分布定数、rは中心からの距離である。光導波路の厚さ方向の両界面位置座標±b1/2での屈折率をn2とすれば、A=(8/b1 2)×(n1−n2)/n1 である。
よって、 P=2π/√A ‥‥(B5)
次に、開口数NA(Numerical Aperture)の計算を行う。このNAはグラジエントインデックス型光導波路を伝搬できる光線と光軸との角度のうち、最大の角度で与えられる。NAを求めるため、図18に示すように、グラジエントインデックス型光導波路の長さz2をP/4とし、入射光線をz1=0の面で光線位置r1=b1/2(光導波路の厚さ方向の端)、光線方向を光軸と平行とする(r1 *=dr1/dz=tanθ1=0)。
(B6)、(B7)、(B8)式を(B3)式へ代入し、整理すると次式(B9)式となる。
よって、(B10)式より、θNA0を正の値とすると、θNA0は次式で与えられる。
この光の空気層への出射角θ’NA0は、光軸上の出射面にスネル則を適用して、次式の関係を満たす。
ここで、nairは空気の屈折率である。
よって、グラジエントインデックス型光導波路長さのバラツキLzmax−LzminがP/2より大きく、均一にバラツイている場合、(B13)式で与えられるNAの角度±θ’NA0内でトップハット的な光の拡散が発現することになる。
ここで、ngはプリズムの屈折率である。
次に、下側へ進行する光線2に着目し、プリズムから空気層へ出射する境界にスネル則を適用すると次式を得る。
(B11)式のθNAOを(B14)式に代入し、sinθg1を求めると次式を得る。
nair=1.0として、(B15)、(B16)式よりθNA1とθNA2を求めるとそれぞれ次式として与えられる。
θNA2=sin-1{ng×sin(θ−θg1)} ‥‥(B19)
よって、この光学系は入射側と出射側は同じ構造なので、入出力のNAの角度はそれぞれ次式のようになる。
光導波路内の光の蛇行する角は、光軸がθ傾いているので、θ−θNA0〜θ+θNA0となる。これに(B11)式のθNA0を代入する次式となる。
また、光軸がθ傾いているため、バラツキの長さは、θ=0°の時のcosθ倍に変わるため、Lzmax−Lzminは次式で与えられる。
以上で、フィルム(2)の層が図7(a)の屈折率分布を有するものについての式の導出および説明を終了する。
11 層(コア)
12 層(クラッド)
2 フィルム(2)
21 層
3 フィルム(3)
4 フィルム(4)
31、41 フィルム(1)と同じ構造の部分
32、42 フィルム(2)と同じ構造の部分
5 フィルム(5)
5A フィルム(1)の構造とフィルム(2)の構造とが融合してなる構造
10 拡散フィルム(散乱フィルム)
11 保護板
12 プロジェクタ
Claims (7)
- 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、隣接相互間で異なる屈折率を有して複数のステップインデックス型光導波路をなす複数の層が、フィルム面内の一方向に並んだ縞を形成し、フィルム厚さ方向に対して所定の角度範囲に略トップハット型に分布する層傾き角度の方向に延在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
- 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、隣接相互間で異なる屈折率を有して複数のステップインデックス型光導波路をなす複数の層が、フィルム面内の一方向に並んだ縞を形成し、フィルム厚さ方向に対して所定の角度範囲に1または2以上のピークを含み該ピーク以外は略トップハット型に分布する層傾き角度の方向に延在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
- 前記拡散フィルムの構造は、フィルム厚さLおよび縞の幅の最大値ymaxが次式を満たすものであることを特徴とする請求項1または2に記載のプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
L≧10×ymax - 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、フィルム厚さ方向の一部位に、層厚さ方向に集光能力を発現する屈折率分布を有する光導波路をなす複数の層が、所定の範囲に略トップハット型に分布する層長さをもってフィルム厚さ方向または該方向から傾いた方向に延在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
- 前記拡散フィルムの構造は、前記光導波路の屈折率分布がグラジエントインデックス型であり、層の傾き角度θ、層長さの最大値Lzmax、最小値Lzminおよび光導波路のピッチPが次式を満たすものであることを特徴とする請求項4記載のプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
Lzmax−Lzmin≧(P/2)×cosθ - 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、請求項1〜3のいずれかに記載の拡散フィルムと同じ構造の部分と請求項4または5に記載の拡散フィルムと同じ構造の部分とがフィルム厚さ方向またはフィルム面内方向に混在する構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
- 入射光拡散角度領域から入射した光を出射光拡散角度領域に拡散させる拡散フィルムからなるプロジェクションディスプレイ用スクリーンにおいて、前記拡散フィルムは、請求項1〜3のいずれかに記載の拡散フィルムの構造と請求項4または5に記載の拡散フィルムの構造とが融合してなる構造を有することを特徴とするプロジェクションディスプレイ用スクリーン。
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