JP2006084586A - スクリーン及び画像投影システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で視野角が広く、照明下でも明るい画像投影が可能なプロジェクタ用スクリーンを実現すること。
【解決手段】 微細な層状レンズまたは柱状レンズが面内に設けられた指向性光拡散層または指向性拡散シートを用い、層状レンズまたは柱状レンズの配向方向をプロジェクタからの光画像の光軸方向、またはこの光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に略一致しているように構成した。さらに、指向性光拡散層または指向性拡散シートの中に光拡散粒子を分散した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高輝度ＣＲＴや液晶プロジェクタなどからの光画像を投影するスクリーン、及びこれを有する画像投影システムに関する。

高輝度ＣＲＴや液晶プロジェクタ等を用いて光画像を投影して画像を表示するプロジェクション装置等の画像投影システムは、大画面で高精細な画像を簡便に表示できるため、複数の使用者との情報コミュニケーションツールとして多様に利用されている。ここで用いられるスクリーンには、白色素材や反射膜を表面に被覆した構造にすることで光利用効率を向上させたり、表面にビーズを散布して光拡散により複数の観察者に対する視認性を向上させたりする工夫がされてきた（例えば、特許文献１を参照）。あるいは、スクリーン表面にレンチキュラレンズなどの指向性反射構造を設けることによって、複数の観察者に効率良く画像表示を行わせるものもある（例えば、特許文献２を参照）。
特開平１１−５２１０７号公報（第４、５頁、第１図） 特開２００２−１６９２２４号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、従来のビーズなどの拡散素材によるスクリーンは広視野角を実現できるがゲインが低いために画面が暗くなる一方、レンチキュラレンズなどを用いたスクリーンは指向性が高いために高ゲインで明るい画面が得られるが視野角が狭くなるという課題を有していた。そこで、本発明は、指向性を維持して明るい画面を保持しつつ、広視野角特性を有するプロジェクタ用スクリーンを提供することを目的とする。

本発明のプロジェクタ用スクリーンは、微細な層状構造または柱状構造が面内に複数本配列され、層状構造または柱状構造の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有する指向性光拡散層または指向性拡散シートとしての層状レンズシートまたは柱状レンズシートを用い、その層状構造または柱状構造の配向方向をプロジェクタからの光画像の光軸方向、またはこの光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に略一致しているようにし、投影される光画像がレンズシートの散乱入射角の範囲内にあるようにし、レンズシートの中に光拡散粒子を分散することによって、レンズシートが持つ指向性と光拡散粒子が持つ高視角特性の両方を兼ね備えたプロジェクタ用スクリーンを実現することができ、上記課題を解決することができた。

本発明によれば、良好な視角特性と輝度特性を有する薄型軽量のスクリーンを提供できるので、これを用いたプロジェクションシステムの表示品質が向上するのみならず、プロジェクションシステムの小型軽量化をも実現できるという効果を有する。

また、本発明のスクリーンは、投影画像に対するゲインが高いばかりでなく、外光による視認性の低下が少ないため、照明環境下の明るい部屋でも視認性が良好な大画面画像を得ることができ、会議や教育におけるプレゼンテーション環境を明るく良好なものとすることができるという効果を有する。

本発明のスクリーンは、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する指向性光拡散層と、指向性光拡散層に分散された光拡散粒子を備えている。そして、指向性拡散層の特定角度範囲は、光画像が投影される光軸方向、あるいは、この光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に略一致している。

ここで、指向性光拡散層は、厚さ方向に光を導く機能を有する層状レンズで構成され、この層状レンズは、厚み方向に連続的に形成された屈折率の低い第一の領域と、厚み方向に連続的に形成された第一の領域より屈折率の高い第二の領域が、交互に形成された層状構造を有している。あるいは、指向性光拡散層は厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズ層から構成され、この柱状レンズ層は、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状構造を面内に複数有している。

また、光拡散粒子は、層状構造の層厚または柱状構造の平均直径と比べて小さな平均粒径を有している。例えば、光拡散粒子として平均粒径が６０ｎｍ〜２０μｍの透光性粒子を用いた。

さらに、指向性光拡散層に対して光の投影側とは反対側に偏光シートを設ける構成とした。また、指向性光拡散層に対して光の投影側とは反対側に光反射層を設けた。また、指向性光拡散層の表面に、周期的吸収縞であるブラックストライプを設ける構成とした。また、指向性光拡散層の画像投影側に光拡散層を設ける構成とした。

また、本発明の画像投影システムは、上述したいずれかの構成のスクリーンと、スクリーンに光画像を投影する光画像投影器を備えることとした。

以下に本発明のスクリーンに関して図面を参照しながら説明する。図１に本発明のスクリーンの構成断面図とプロジェクタとの関係を模式的に示す。図１に示す配置では、プロジェクタ５からの光画像は、指向性拡散層１と透明支持基材２と光反射層３とで構成されるスクリーンに投影され、その投影画像はスクリーンを介してプロジェクタ５と同じ側にいる観測者１１によって観測される。このような使われ方のスクリーンをフロントスクリーンと言う。

指向性光拡散層１は、微細な層状構造９が面内に複数本配列され、これら層状構造９の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している。あるいは、指向性光拡散層１は、微細な柱状構造９が面内に複数本配列され、これら柱状構造９の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している。これら層状構造は層状レンズを、また柱状構造は柱状レンズを構成している。指向性光拡散層１が層状レンズで構成される場合には、層の積層方向がスクリーンに対して水平または垂直になるようにするのが望ましい。また、指向性光拡散層１の内部には光拡散粒子１０が分散されている。

図８に層状レンズまたは柱状レンズの配列を模式的平面図で示す。図８（ａ）は層状レンズが長手方向を上下に向けて配列している例であり、これら層状レンズは高屈折率層１３が低屈折率層１４で囲まれた構造をしている。また、図８（ｂ）は柱状レンズが面内に配列している例であり、これら柱状レンズは高屈折率領域１３が低屈折率領域１４で囲まれた構造をしている。これら層状レンズや柱状レンズは必ずしも規則正しく配列している必要はなく、不規則に配列していても良い。

層状レンズまたは柱状レンズの光軸方向をその配向方向と呼ぶことにする。図１に示す例においては、層状レンズまたは柱状レンズの配向方向はプロジェクタ５から投影される光画像の光軸６の方向とおよそ一致している。すなわち、層状レンズまたは柱状レンズは指向性光拡散層１の面内で視点側下方に傾いて配列している。

指向性光拡散層１は、膜厚１μｍ〜２０μｍ程度の薄膜層であって、透明支持基材２上に配向形成される。また、指向性光拡散層１の代わりに、層厚が２０μｍ〜２ｍｍ程度の層状レンズシートまたは柱状レンズシートを透明支持基材上に配しても良い。これら、層状レンズシートまたは柱状レンズシートは、微細な層状構造または柱状構造９が面内に複数本配列され、これら層状構造または柱状構造９の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している。

指向性拡散層としては、その層厚に応じて指向性拡散層と指向性拡散シートとを区別して考える。具体的には、層厚がおよそ１〜２０μｍのものを指向性拡散層、層厚がおよそ２０μｍ〜２ｍｍのものを指向性拡散シートと呼ぶことにする。また、以下では特に区別を要しない場合は、簡単のため、層状レンズシートおよび柱状レンズシートをレンズシートという同一の表現であらわすことにする。

レンズシートは、屈折率が中心に向かう程連続的に大きくなっているグレイディッドインデックス型層状レンズまたは柱状レンズ、あるいは中心部分の屈折率がそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも高い２層構造になっているステップインデックス型層状レンズまたは柱状レンズが平面内に複数配列されているフィルム構造になっている。

また、図３に示すように支持基材４を光反射層３の外側に配置または接合しても良い。このように、光反射層３の外側に支持基材４を配することによって、光反射層３を外部の機械的な力や湿度などから保護して光反射率の劣化を防ぐことができる。フロントスクリーンとして用いる場合は、支持基材２と異なり、この支持基材４は光を透過する作用は必要ないため透明な材料で作製する必要はない。

図５と図６に本実施例のスクリーンの拡大構造とそこに入射した光の様子を模式的に示す。レンズシートを構成する層状構造または柱状構造９は、中央部の高屈折率領域１３とそれを取り囲むようにして形成された低屈折率領域１４とから構成されている。図では簡単のため高屈折率領域１３と低屈折率領域１４とは明確な境界があるように描かれているが、グレイディッドインデックス型柱状レンズの場合は、高屈折率領域１３と低屈折率領域１４との間には明確な境界はない。なお、層状レンズの場合、図５と図６の紙面に垂直な方向では、このような屈折率の違いは存在しない。層状レンズまたは柱状レンズの中心軸すなわち光軸はフィルム面垂線に対して０〜７０度程度の任意の傾きに作製することができる。

このレンズシートの製造は、例えば、光拡散粒子を混合した屈折率の異なる２種類以上の光重合性化合物からなる液状反応層に、グラデーション加工を施したフォトマスクを介して紫外線を照射することによって、光照射強度による光重合性化合物の光重合速度の違いによって屈折率の分布状態を制御することによって行う。

光拡散粒子の粒径は、層状レンズの幅または柱状レンズの直径に比べて充分小さな粒径のものを用いる。このようにしないと、層状レンズまたは柱状レンズのレンズ機能が損なわれるばかりでなく、光重合反応を効果的に行なうことができなくなる。典型的には、光拡散粒子の粒径は層状レンズの幅または柱状レンズの直径の１／５以下とするのが望ましい。

また、層状レンズまたは柱状レンズの光軸の傾きは、照射する紫外線の角度を調節することによって制御することができる。このとき、光重合性化合物を支持基材の上にスピンコートまたはディッピングなどによって直接塗布して硬化させて指向性拡散層を得ることができ、反応ステージまたは反応ロール上に塗布して硬化させた後剥離すれば指向性拡散シートを得ることができる。

図５に、外部からレンズシートに入射する光の光路の１例を矢印１５と１６で示してある。プロジェクタ用スクリーンに投影される光は、投影光画像の広がり角度内に分布する様々な入射角を持って柱状レンズに入射する。ステップインデックス型レンズシートの場合は、図５の光路１５と光路１６に示すように、高屈折率領域１３に入射した光はスネルの法則に従って、レンズシート入射面の法線側に向かってさらに屈折する。高屈折率領域１３に入射した光は低屈折率領域１４との境界面に入射するが、境界面への入射角が臨界角よりも大きくなっている場合は、入射光は全反射される。このように、入射光は高屈折率領域１３と低屈折率領域１４との境界面で繰り返し反射して下方に導波していき、光反射層３で反射されて再び上方に導波してレンズシートの入射面から出射される。

このとき、レンズシートのシート厚と高屈折率領域１３への光の入射角と入射位置によってレンズシートからの光の出射位置と方向が定まる。図５の光路１５と光路１６とは、入射角は同じだが入射位置が異なるために、内部を導波して再び表面に出射されるときの出射角が異なる。プロジェクタからの投影画像は様々な入射角で様々な入射位置に入るために、投影画像は表面である散乱角を持って散乱されているのと同様の作用を受ける。この散乱角は、高屈折率領域１３と低屈折率領域１４との屈折率差または屈折率勾配と、シートの厚さおよび柱状レンズのレンズ径によって定まる。すなわち、レンズシートの屈折率差または屈折率勾配が大きくなればなるほど散乱角が大きくなるように出射する。さらに、レンズシートのシート厚が厚くなればなるほど、またレンズ半径が小さくなればなるほど、さらにシート面内での柱状レンズの個数密度が大きくなればなるほどヘイズ値は大きくなる。また、光の入射角が特定の角度を越えると、入射光は散乱されずに直進して透過する。入射光が散乱される入射角範囲を散乱入射角、入射光が直進して透過する入射角範囲を直線透過角と呼ぶことにする。もし、散乱入射角で光が入射したとき光反射層４がなければ、光はシート透過時に散乱されて出射する。

本発明のプロジェクタ用スクリーンにおいては、柱状レンズのレンズ径が、１μｍ〜５００μｍ、レンズ高さ（レンズシート厚）が１μｍ〜２ｍｍのレンズシートを用いることができる。しかしながら、製造歩留まりや光利用効率、あるいはハンドリングのし易さなどを考慮すると、レンズ径は５μｍ〜１００μｍ、シートとして用いるときのレンズ高さは２０μｍ〜２００μｍとするのが好ましい。また、柱状レンズの屈折率差は０．０１〜０．０５のものを用いることができる。また、柱状レンズのシート面に立てた垂線との傾き角は、０〜７０度程度の任意の角度にすることができる。指向性拡散層として用いる場合は、層厚を１〜２０μｍ程度に薄くすることができる。

一方、図６に、レンズシートへの入射角が直線透過角である場合を説明する。構成は図５と同じであるために説明を省略する。入射光１７は、レンズシートの入射面に対して散乱入射角以上の大きな入射角で入射している。この場合、高屈折率領域１３に入射した光は、シート内部に屈折して進入して低屈折率領域１４との境界に達するが、境界への入射角が小さいために全反射せずに低屈折率領域１４に進入する。低屈折率領域１４に進入した光は、再び高屈折率領域１３に入った後、支持基材４上に形成された光反射層３で反射されてレンズシートの入射面から外部に出る。このとき、光反射層３で反射された光の入射角が散乱入射角の範囲内であるときは入射面から出射する光は散乱される。また、光反射層３で反射された光の入射角が直線透過角の範囲内であるときは入射面から出射する光は散乱されずに正反射される。さらに、もし光反射層３がない場合は、入射光１６はほぼ直線的に透過する。

一方、図５と図６の両方の場合において、レンズシート中に入射した光が光拡散粒子１０に入射すると光は拡散される。すなわち、光拡散粒子１０は入射光を拡散して視角を広げる作用をする。光拡散粒子としては、平均粒径６０ｎｍ〜２０μｍの粒子であって、レンズシートを構成する材料の屈折率と異なった屈折率を持った粒子を用いる。光拡散粒子の粒子形状としては、不定形のものや、棒状のもの、あるいは球形ビーズなどを用いることができる。特に、ゾルゲル法によって作製された球形ビーズは、粒径が良く制御されている上に、種々の屈折率を持った材料を選択することができるために、スクリーン特性の制御をし易い。

また、光拡散粒子１０を透明な粒子とすることによって、この光拡散粒子の吸収による光損失を防ぐことができ、効率良くプロジェクタ画像を表示させることができる。また、光拡散粒子としては必ずしも透明である必要はなく、透光性粒子であっても良い。素材そのものは透明であっても、表面に凹凸があったり多孔性粒子であったりすれば、粒子は透明粒子というよりも透光性粒子となる。このような透光性粒子を用いても光利用効率の低下は少ない。

以上説明したように、本発明で用いたレンズシートは優れた指向性を持っているため、光が散乱反射される視野方向では高輝度で鮮明な画像を得ることができる。一方、光が散乱反射されないレンズシート方位では、急激に投影画像の輝度が低下して視認性が悪くなる。光拡散粒子はレンズシートが有する高指向性によって生じるこのような低視野角という特性を補い、視野角を広げる作用を持っている。

再び図１の説明に戻る。図１においてプロジェクタ５からの投影画像は光軸６を中心として光線７と光線８で示される広がりをもって投影される。レンズシート１の散乱入射角がこの投影画像の広がりの範囲内であるものを本発明のスクリーンでは選択して用いる。このようにすることによって、投影光画像は透明な支持基材２を透過した後、レンズシート１内で図５に示したのと同様の光路をたどり一様に前面に散乱する。そのため、視点１１からスクリーンを観察している人には、広い視野角で明るい投影画像が観察されることになる。

図２に本発明のプロジェクタ用スクリーンに関する別の構成を示す。この構成が図１に示した構成と異なる点は、柱状レンズの配向方向が投影光画像の光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に略一致している点である。この場合、投影光画像は透明な支持基材２を透過した後、レンズシート１内で図６に示したのと同様の光路をたどり、光反射層３で反射した光は散乱入射角となるため一様に前面に散乱される。図２に示す構成では、レンズシートによる光散乱は表面部分だけで生じるために散乱光の指向性が高く、投影画像も図１に示した構成に比較して鮮明にすることができるために、高解像な画像の投影に適している。

図３に本発明のプロジェクタ用スクリーンに関する別の構成を示す。図３の構成では、図２に示した構成に支持基材４を光反射層３の外側に配したものである。このような構造によって、光反射層３を外部の力学的な力から保護することによりその損傷を防止することが可能となる。

また、図１および２の構成同様に、図３の構成において光反射層３として膜厚２００ｎｍ程度以上の金属膜を用いることによって、光反射層３の反射率を向上させ、その結果光利用効率を上げることができるが、プロジェクタからの光画像強度が強い場合は画像のぎらつきが大きくなり、表示画像の自然感が損なわれる場合がある。そこで、図３で用いる光反射層３の反射率を５〜３０％と低くすると同時に、吸光性の支持基材、例えば黒色の支持基材４を用いることによって画質が著しく改善する。このような低反射率の光反射層３は、支持基材４またはレンズシート上にＴｉＯ_２やＺｒＯ_２などの高屈折率層を形成するか、これらの材料とＳｉＯ_２などの低屈折率層とを組み合わせた光学多層膜を形成することによって容易に実現することができる。また、膜厚１０〜２０ｎｍ程度のＡｇや、ＡｇとＰｄとの化合物やＡｌなどの金属薄膜を蒸着により形成してもよい。光反射層３の反射率が３０％よりも大きな場合も、吸光性の支持基材４を用いることは画質の向上に効果がある。

また、プロジェクタからの投影光画像の強度が比較的弱く、投影画像のぎらつきが少ない場合は、光反射層３を形成する替わりに、光反射面を鏡面加工された金属支持基材を支持基材４として用いても良い。

本発明に関する別の構成を図４に示す。ここで示したスクリーンは、透明基材２の片面にレンズシート１が接合されている。レンズシート１の配向方向はプロジェクタ５からの光画像の光軸６と大体一致している。なお、この構成の観測者の視点１１はスクリーンを挟んでプロジェクタ５と反対側にある。このようなスクリーンをリアスクリーンと呼ぶ。このように、本発明のプロジェクタ用スクリーンはフロントスクリーンのみならず、リアスクリーンとしても使うことができる。

図４に示す構成では、プロジェクタ５から投影された光画像は、レンズシート１に散乱角の範囲内で入射して、レンズシート１から出射するときに特定の散乱角を持って出射する。この散乱は図５と図６とに示されるのと同様の作用で生じる。従って、視点１１では広い視野角を持ってこの投影画像を観測することができる。

一方、プロジェクタ５からの像以外にも、直線透過角で入射した物体からの光は本発明のスクリーンによって散乱を受けずに透過して視点１１に入るために、観測者はプロジェクタ５からの投影画像のみならずスクリーン背後の物体をも直接観測することができる。このような使い方は、自動車などの車両の窓ガラスへの投影を目的としたヘッドアップディスプレイなどで行われる。この場合は光拡散粒子１０によるヘイズ値は２０％程度以下の低い値であることが好ましい。

図１から図４に示したいずれの構成においても、レンズシートの表面に投影画像の画素ピッチと同じピッチを持ったブラックストライプを形成することによって、より鮮鋭な画像を投影することが可能となる。このブラックストライプは、例えば吸光性色素などの黒色染料やカーボンなどの黒色顔料などを混合したバインダーを印刷することによって容易に形成することができる。このブラックストライプを形成する面は、レンズシートのいずれの面に形成しても良いが、フロントスクリーンにおいては視点１１と反対側の面に、リアスクリーンにおいては視点１１と同じ側に面に形成するのが好ましい。

また、このブラックストライプとしては、透明なアクリル板において、その面に垂直な方向に吸光性顔料や色素を混合させた層状の縞パターンを形成した、いわゆるルーバーを用いても良い。この吸光性顔料としてはカーボン粉末が用いられるのが通常である。このルーバーは黒色領域と透明領域が面内方向で交互に層状に積層されたブラックストライプシートとして作用する。なお、ブラックストライプのピッチが画素ピッチよりも数倍〜数十倍大きなものであっても、これがないときよりも視認性は向上する。

また、図１から図４に示したいずれの構成でも、プロジェクタ５の画像変調素子が液晶素子のような偏光素子を用いている場合には、支持基材２の視点１１側の表面に偏光シートを貼り付けることによって、投影画像のコントラストを向上させることができる。このような偏光プロジェクタの場合、投影光画像は特定の方向に対して偏光した光となっている。従って、偏光シートの偏光軸を投影光画像の偏光方向に合わせておくと、偏光プロジェクタからの投影画像の光損失は少ない一方、視点９側からスクリーンに入射した外光のうち半分を偏光シートが吸収してくれるためにコントラストが向上するためである。ただし、偏光プロジェクタにおいてカラー画像を投影する場合は、ＲＧＢの各画像の偏光方向が同一の場合にだけこの効果は顕著になる。

一方、プロジェクタ５からの投影光画像強度が強い正反射領域から画像を観察するときは、反射光がスクリーン内部で多重反射することによってモワレ縞が発生したり、表面での輝点領域であるホットスポットが発生したりする場合がある。これらを防ぐために、図９に示すように、レンズシート１の視点１１側表面に光拡散層１８を形成した。このことによって、レンズシート１の表面からの正反射によるスクリーン内部への戻り光を低減させることができ、その結果投影光画像の強度が強い正反射領域においてもモワレ縞やホットスポットの発生をなくすることができた。

この光拡散層１８としては、レンズシート１の表面に直接凹凸構造を形成しても良いし、光拡散フィルムをレンズシート１の視点側表面に配置または接合しても良い。

なお、図１から図３の構成のように、スクリーンの視点側表面が支持基材２である場合には、光拡散層１８は支持基材２の視点側表面に形成しなければならない。その形成方法は、支持基材２の視点側表面に直接凹凸構造を形成しても良いし、光拡散フィルムを支持基材２の視点側表面に配置または接合しても良い。

他の光拡散層１８の形成方法としては、レンズシート１の表面に微細な凹凸構造を直接形成したアンチグレア構造とするものがある。この凹凸構造は、それに対応した凹凸構造を持った加工ステージの上で、屈折率の異なる２種類以上の光重合性化合物からなる液状反応層に、グラデーション加工を施したフォトマスクを介して紫外線を照射し、光照射強度による光重合性化合物の光重合速度の違いによって屈折率の分布状態を制御することによってレンズシート１を作製することで可能となる。あるいは、レンズシートを溶剤に浸漬したり、レンズシート表面を溶剤処理したりして高屈折率領域の表面だけを若干エッチング加工しても良い。この凹凸の粗さや微細形状や形成密度を変化させることによって、光拡散層１８のヘイズ値を任意に制御することができる。

なお、図９に示すように、指向性光拡散シートのシート厚が十分厚い場合は、必ずしも支持基材２を必要としない。このように、支持基材２がない場合は、スクリーン厚みを実質的に指向性拡散シートの厚みとすることができ、格納時に巻き取ったり、折りたたんで収納したりすることが可能となる。

また、プロジェクタの位置とスクリーンとの位置関係は、投影環境によって異なる。図７にその関係を模式的に示す。図７（ａ）はプロジェクタ５がスクリーン１００の下方に配置されており、図７（ｂ）ではプロジェクタ５がスクリーン１００と同じ高さに配置されており、図７（ｃ）ではプロジェクタ５がスクリーン１００の上方に配置されている。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す配置を各々ローアーポジション、センターポジション、アッパーポジションと呼ぶことにする。図１から図４の構成の説明では、全てローアーポジションの場合を用いた。本発明のプロジェクタ用スクリーンは、上記のいずれの配置に対しても適用可能であり、重要なことはレンズシート内の柱状レンズの配向方向が投影画像の光軸方向と大体一致していること、またはこの光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に大体一致していることである。また、投影される光画像の入射角が、プロジェクタ用スクリーンに用いられているレンズシートの散乱入射角の範囲にあるようにすることである。

図７（ｃ）で示した配置で用いるスクリーンのレンズシートの配向方向は、図１から３で示した同様の方向とすることができる。ただし、図４のリアスクリーンの場合は、柱状レンズの配向方向をこの光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に大体一致させたものとする必要がある。また、図７（ｂ）で示した配置で用いるスクリーンのレンズシートの配向方向は、レンズシートの面に垂直な方向となる。

図１０に本発明で用いたレンズシートの光透過特性を示す。なお、このレンズシートには光拡散粒子は混合されていない。図１０では、レンズシートへの光の入射角を横軸に、各入射角に対する光透過強度を縦軸に表している。また、図中では、配向方向が０度におけるレンズシートの特性曲線２０、配向方向がα度の場合におけるレンズシートの特性曲線２１を表している。ただし、測定は大気中で行った。

特性曲線２０の場合は、レンズシートは角度±βで光強度がほぼゼロになっていることがわかる。入射角が−β〜βの範囲内では光は散乱透過され、入射角の絶対値がβ以上の範囲内では光は散乱されずに直線的に透過する。すなわち、透過で用いる場合は、入射角が−β〜βの範囲内が散乱入射角であり、それ以外の角度範囲が直線透過角ということになる。ここでは、簡便のためにβを散乱入射角と呼んでいる。なお、レンズシートに光拡散粒子を混合した場合は、光拡散粒子で拡散された光のため入射角βにおいても透過率はゼロにはならない。

一方、柱状レンズの配向方向をα度だけ傾けた場合の特性曲線２１は、配向方向が０度の場合に比べて、散乱入射角の範囲がそのままα度だけずれた位置にシフトする。そのとき、散乱入射角の角度幅はほとんど変化なく、散乱入射角の範囲はα−β〜α＋βの範囲内にシフトする。従って、図１０においては、角度αで入射した光は透過時に散乱を受けるが角度−αで入射した光は散乱を受けずに直線透過する。従って、プロジェクタからの光画像の光軸をスクリーンに対してαだけ傾けて照射すると同時に、投影画像の広がり角を±βにすることによって、明るく視野角の広い画像を得ることができる。

以上が本発明のプロジェクタ用スクリーンを透過で用いる場合（リアスクリーン）の特性に対応するものである。

次に図１０を用いて、本発明のプロジェクタ用スクリーンを反射で用いる場合（フロントスクリーン）について説明する。まず配向方向が０度の特性曲線２０の場合を考える。このとき、プロジェクタからβ〜−βの角度で入射した投影光は、プロジェクタ用スクリーンの光反射層で反射されて散乱される。しかし、γをβよりも大きな角度とすると、入射角γで入射した光は正反射されて散乱を受けない。そのため、入射角β以上で入射した外光は、投影画像に影響を与えないため、良好な画質の投影画像を得ることができる。

次に、配向方向がαだけ傾いたレンズシートを用いた特性曲線２１の場合を考える。まず、入射角α−β〜α＋βの入射角度範囲でプロジェクタから投影された光画像は散乱して反射される。また、−α−β〜−α＋βの入射角度範囲でプロジェクタから投影された光は、光反射層で反射を受けてα−β〜α＋βの入射角範囲の光と同様の光路をたどって表面で散乱されて出射する。すなわち、スクリーンで散乱される角度範囲は、既述したように２つ存在することになる。一方、この２つの散乱入射角以外の角度で入射した光は、光散乱層における散乱を受けるがレンズシートでは直線的に反射する。従って、２つの散乱入射角以外の角度で入射してきた外光が投影画像に与える影響が少ないため、良好な画質の投影画像を得ることができる。

βの値は、柱状レンズシートのシート厚、柱状レンズの口径、あるいは柱状レンズの屈折率差などを調整することによって、１０〜４５度程度までの任意の値に制御することができる。

以上の構成では、いずれも支持基材を用いた場合を示してきたが、レンズシートの厚みが０．１〜２ｍｍと厚い場合は、必ずしも支持基材を用いる必要はない。以下に本発明の照明装置に関する具体例を、図面を用いて具体的に説明する。

（具体例１）
図１に示す構成のプロジェクタ用スクリーンを作製して、白色画像をスクリーンに投影しながら、その投影画像の入射角をレンズシートの配向方向に変化させた場合に、スクリーン正面の輝度変化を調べた。この白色画像の広がり角度は±２度であった。

レンズシートとしては、柱状レンズ径２０μｍ、シート厚み７０μｍのものを用いた。その高屈折率領域と低屈折率領域における最大屈折率差は０．０２であり、配向方向として０度と１５度で作られた２種類のグレイディッドインデックス型のものを用いた。このレンズシートの背面にＡｇとＰｄの合金を約１９ｎｍ真空蒸着で形成して反射率３４％の光反射層を形成した。このレンズシートを厚み２ｍｍのアクリル板に貼り付けたものを試料として用いた。なお、このレンズシート内には、光拡散粒子として、平均粒径４００ｎｍのチタニア球形ビーズを約５００個／ｍｍ^２の面密度で混合した。

測定用の白色画像を試料への入射角を変えながら照射し、その時、試料に対して垂直方向正面の反射光強度を測定した。このとき、白色校正板で同様の測定を行った結果を基準とし、白色校正板での測定結果をゲイン１とした。

測定結果を図１１に示す。レンズシートの配向方向が０度の場合の結果２２は、入射角０度に最大輝度を持っており、２０〜３０度の視野角を持つことが分かる。このとき、入射角ゼロのときのゲインは３．６に達した。この値は光拡散粒子を混合しない場合に比べて約８％低い値となっている。また、レンズシートの配向方向が１５度の場合、入射角１５度と−１５度とに輝度ピークを持つ。しかし、２つのピークの内、１５度のピークは−１５度のピークよりも約４倍大きな値を持っている。１５度のピークゲインは曲線２２と同じとなった。１５度のピークは図１に示した場合に対応し、−１５度のピークは図２の場合に対応する。−１５度のピークが弱いのは、この場合の方が散乱光の指向性が大きくなるために正面に配置した測定器に入射する光量が弱くなったためである。

以上の結果から、本発明のプロジェクタ用スクリーンは、プロジェクタ方向からの投影光のみを効率良く散乱反射するために、外光からの影響を受けにくい高輝度な画像を実現できることが分かった。しかしながら、光入射角度が２０度以上になると急激にゲインが低下したが、光拡散粒子の混合によって４５度においてもゲインが約０．３と大きくなり投影画像の観測が可能となった。

（具体例２）
図３に示す構成のプロジェクタ用スクリーンを作製して、白色画像を正面から投影しながら、測定器の角度を変化させてスクリーンからの反射光強度を調べた。この白色画像の広がり角度は±２度であった。具体例１の場合と同様に、白色校正板を用いて同様の測定した結果をゲイン１とした。

レンズシートとしては、柱状レンズ径５０μｍ、シート厚み９０μｍのものを用いた。その高屈折率領域と低屈折率領域における最大屈折率差は０．０２であり、傾斜角として０度のグレイディッドインデックス型のものを用いた。光反射層としては、ポリエチレンフィルム上にＡｇを真空蒸着して反射率約９０％としたものを用いた。また、レンズシート中には、各々平均粒径が４００ｎｍと１５００ｎｍのチタニアビーズを１２００個／ｍｍ^２の面密度で混合し、各々試料２および試料３とした。この柱状レンズシートを厚み２ｍｍのアクリル板に貼り付けたものを試料として用いた。

測定の結果を図１１と図１２に示す。図１１は試料２に対する結果であり、図１２は試料３に対する結果である。どちらの結果も、±８０度程度まで良好なゲインで光が拡散反射されていることがわかる。また、光拡散粒子であるチタニアビーズ径が大きくなるほど、高視角領域のゲインは高くなるが、それに伴ってゼロ度近傍のゲインは低下することが分かった。すなわち、レンズシートへの混合濃度が同一であれば、光拡散粒子の粒径が大きくなるほど指向性は低下するが、広角での画像投影ができることが分かった。

（具体例３）
具体例２で用いたのと同様の構成で、レンズシートとして散乱入射角２０度のものを用い、光拡散粒子として８００ｎｍのＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）ビーズを１２００個／ｍｍ^２混合したものを用いた試料を作製し、具体例２と同様にその特性を調べた。

図１４にその結果を示す。ゲインピークの位置が２０度の位置にシフトしたことが分かる。また、ゲイン特性は図１２と図１３とのほぼ中間の値を取っている。材料を変えても、ＩＴＯとチタニアの屈折率はほぼ同じであるため、光拡散粒子はスクリーン輝度特性に同程度の寄与をしていることが分かる。

（具体例４）
具体例２で用いたのと同様の構成で、光拡散粒子としてチタニアビーズを用い、その平均粒径を２０ｎｍ〜２０μｍまで変化させた試料を作製し、具体例２と同様にして測定角３０度におけるゲイン測定を行なった。なお、チタニアビーズの混合密度を８００個および１２００個の２水準取り、その結果をそれぞれ図１５の２４と２５に示した。

図１５から明らかなように、混合密度に係わらずＩＴＯビーズの平均粒径が約６０ｎｍ近傍からゲインが上昇し始め、平均粒径が１μｍを越えると光拡散が急激に大きくなることが分かった。なお、平均粒径が１０μｍを越えた付近から光拡散特性は飽和し始めた。

以上の結果から、光拡散粒子の平均粒径が大きくなればなるほど、混合濃度が濃くなればなるほど光拡散特性が大きくなり、その結果視角特性が良くなることが分かった。

なお、光拡散粒子が２０μｍとした試料は光硬化による作製が安定せず、安定して試料の作製が可能であったのは平均粒径１０μｍ程度以下の光拡散粒子を混合したものであった。

本発明のスクリーンを模式的に示す断面図である。 本発明のスクリーンを模式的に示す断面図である。 本発明のスクリーンを模式的に示す断面図である。 本発明のスクリーンを模式的に示す断面図である。 本発明のスクリーンを説明する拡大断面図である。 本発明のスクリーンを説明する拡大断面図である。 プロジェクタとスクリーンとの配置を示す説明図である。 本発明のスクリーンのレンズ配置を模式的に示す平面図である。 本発明のスクリーンを模式的に示す断面図である。 本発明で用いた柱状レンズシートの特性を表すグラフである。 本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。 本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。 本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。 本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。 本発明のスクリーンのゲイン特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 指向性拡散シート
２ 支持基材
３ 光反射層
４ 支持基材
５ プロジェクタ
９ 層状構造または柱状構造
１０ 光拡散粒子
１１ 視点
１３ 高屈折率領域
１４ 低屈折率領域
１００ スクリーン

Claims (10)

1. 投影された光画像を表示するスクリーンにおいて、
   特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する指向性光拡散層と、前記指向性光拡散層に分散された光拡散粒子を備えるとともに、
   前記指向性拡散層の前記特定角度範囲は、前記光画像が投影される光軸方向、または、この光軸方向とスクリーン面上の垂線に対して対称な方向に略一致していることを特徴とするスクリーン。
2. 前記指向性光拡散層は厚さ方向に光を導く機能を有する層状レンズから構成され、前記層状レンズは、厚み方向に連続的に形成された屈折率の低い第一の領域と、厚み方向に連続的に形成された、前記第一の領域より屈折率の高い第二の領域とが交互に形成された層状構造を有することを特徴とする請求項１に記載の用スクリーン。
3. 前記指向性光拡散層は厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズ層から構成され、前記柱状レンズ層は、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状構造を面内に複数有することを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
4. 前記光拡散粒子は、前記層状構造の層厚または前記柱状構造の平均直径と比べて小さな平均粒径を有していることを特徴とする請求項２または３に記載のスクリーン。
5. 前記光拡散粒子は、平均粒径が６０ｎｍ〜２０μｍの透光性粒子であることを特徴とする請求項４に記載のスクリーン。
6. 前記指向性光拡散層に対して光の投影側とは反対側に偏光シートが設けられたことを特徴とする請求項５に記載のスクリーン。
7. 前記指向性光拡散層に対して光の投影側とは反対側に光反射層が設けられたことを特徴とする請求項６に記載のスクリーン。
8. 前記指向性光拡散層の表面に、周期的吸収縞であるブラックストライプが配されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロジェクタ用スクリーン。
9. 前記指向性光拡散層の画像投影側に光拡散層が設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のスクリーン。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のスクリーンと、前記スクリーンに光画像を投影する光画像投影器と、を備えることを特徴とする画像投影システム。

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