JP2006138938A - スクリーン及びこれを用いた画像投影システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外光の影響を受け難くゲインの大きな投影面と、視角が広く自然観のある投影面とを有するスクリーンを実現すること。
【解決手段】 特定の方向からの光を拡散透過しそれ以外の方向からの光を直線的に透過する指向性拡散層と、入射角に係わらず光を略等方的に拡散する等方性光拡散層との間に光反射層を備える構成とした。
【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るようになってきた。

ここで用いられるスクリーンには、表面に光拡散のためのビーズを散布し広視野角を実現して、複数の観察者に対して視認性を向上する工夫がされている。一方、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、視野角が狭くなるものの明るい画面を実現することが知られている。さらに、このレンチキュラレンズの内部に光拡散粒子を分散させてスクリーンの反射特性に指向性と等方性の両方を付与させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０５−０６１１２０号公報（第５頁、第１図）

従来のビーズなどの拡散素材を含んだスクリーンは広視野角を実現できるものの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を用いたスクリーンは指向性が高いために高ゲインであり、明るい画面が得られるものの視野角が狭くなる上に外光を拾い易い。また、レンチキュラレンズに光拡散粒子を分散させても、レンチキュラレンズが外光を拾い易いという課題を残していた。すなわち、広視野角のスクリーンと高輝度で外光の影響を受けにくいスクリーンを同時に実現することはできなかった。

本発明は広視野角で自然観のある画像投影と、指向性が高く明るく外光の影響を受け難い画像投影の両方の使用法が可能であるスクリーンを提供することを目的とする。

本発明のスクリーンは投影された光画像を表示するスクリーンであって、特定角度範囲で入射した光を散乱透過するとともに、それ以外の角度で入射した光を直線的に透過する指向性光散乱層と、入射角に係わらず光を略等方的に拡散する等方性光拡散層と、指向性光散乱層と等方性光拡散層の間に設けられた光反射層を備えている。

さらに、特定角度範囲が、スクリーン面内の部位に応じて異なっている。あるいは、指向性光拡散層が、厚み方向に連通する高屈折率領域と低屈折率領域が交互に配列された層状レンズシートである。ここで、高屈折率領域と低屈折率領域が接することにより生じる界面の厚み方向への角度が、スクリーンの部位に応じて異なっている。すなわち、指向性光拡散層の指向性の方向がスクリーンの部位に応じて異なっている。または、指向性光拡散層が、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が面内に複数配列された、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートである。そして屈折率の高い領域の中心線と指向性光拡散層の表面に対する垂線とのなす角がスクリーンの部位に応じて異なっている。すなわち、柱状レンズシートの指向性の方向がスクリーンの部位に応じて異なっている。

また、等方性光拡散層を、高分子材料中に複数の気泡を含んだ等方性光拡散シートとした。さらに、等方性光拡散シートには高分子材料よりも反射率の高い微粒子が混合されている。この微粒子には白色顔料からなるフィラーを用いることができる。また、等方性光拡散シートの少なくとも一方の表面に保護層を設けることとした。保護層として反射フィラ−を含んだ高分子基材を用いることができる。

また、指向性光拡散層の表面には表面光拡散層が形成されている。表面光拡散層は表面拡散構造である。

次に、本発明の画像投影システムは、前述の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ている。例えば、スクリーンに光画像を投影する光画像投影器を備える画像投影システムであって、スクリーンが、特定角度範囲で入射した光を散乱透過するとともに、それ以外の角度で入射した光を直線的に透過する指向性光散乱層と、入射角に係わらず光を略等方的に拡散する等方性光拡散層と、指向性光散乱層と等方性光拡散層の間に設けられた光反射層を有している。さらに、光画像投影器の投影光の画角が特定角度範囲に含まれている。あるいは、特定角度範囲の中心線が光画像投影器の投影光の中心に向いている。

または、光画像投影器の投影光が特定角度範囲ではない角度で指向性光散乱層に入射するように構成されている。あるいは、特定角度範囲の中心線と、光画像投影器の投影光束の中心線が、スクリーン表面に対する垂線に関して対称である。

本発明によれば、用途に合わせて指向性を持った明るい高輝度な投影画像と、視角の広い自然観のある投影画像とを選択することができるために、１枚のスクリーンを多用途に用いることができるという効果を有する。すなわち、スクリーンの指向性光拡散面を用いることによって、照明光を点けた状態でも、鮮明なスクリーン画像を観察することが可能となる。また、輝度の低いプロジェクタを用いても明るい画像が得られることとなり、プロジェクタ作製における熱設計や光源設計の負担を軽減できる。一方、スクリーンの等方性光拡散面を暗室内で用いることによって、高輝度、広視角で自然観のある画像投影を行なうことができる。このように、画像投影環境や得たい投影画質に係わらず、良好な画質の映像投影ができる。

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透過するとともに、それ以外の角度で入射した光を直線的に透過する指向性光拡散層と入射角に係わらず光を略等方的に拡散する等方性光拡散層との間に光反射層を設けた構造である。指向性光拡散層は、特定の方向からの光を拡散しそれ以外の光を直線的に透過する透光性高分子で形成された光学的に異方性を有するフィルム層であり、一方、等方性光拡散層は入射角に係わらず光を略等方的に拡散する光学的に等方なフィルム層である。

このような構成によって、指向性光拡散層側から入射した光画像は指向性を持たせて拡散反射されるとともに、天井などから入射した照明光は観察者の視点外の方向に直線的に反射することとなるため、照明下の明るい部屋でも光輝度で高コントラストな画像を得ることができる。一方、等方性光拡散層側から入射した光は広い視角内で拡散反射するために広視野角の画像を得ることができる。この等方性光拡散層から得られる画像は適切に明るさを調節された部屋で観察することによって自然観のある画像となる。光反射層は指向性光拡散層と等方性光拡散層に入射した光を効率良く反射させる作用をして、明るい画像を実現する。このように、本発明のスクリーンは簡単な構造で、画像の投影面を選択することによって指向性のある明るい投影画像か広視角性を持った自然観のある投影画像のどちらでも得ることができる。

指向性光拡散層は、スクリーン面内の特定の一方向に指向性を持たせた一方向性光拡散層とすることも、任意の複数方向に指向性を持たせた多方向性光拡散層とすることもできる。このような指向性の方向を適切に選択することによって、観察者の配置に従った適切な指向性を持たせることができ、より広い視角内の観察者に明るい画像を提供することができる。

指向性光拡散層としては、面内の厚み方向に連通した層状の高屈折率領域と低屈折率領域とを交互に配列された層状レンズを形成することで、この層の長手方向に垂直な方向と平行な方向とで光拡散特性の異方性を持たせることができる。あるいは、低屈折率領域内に面の厚み方向に光を導く高屈折率領域である柱状レンズを緻密に配することによって、その高屈折率領域における面の厚み方向が傾斜した方向に拡散特性の異方性を持たせることもできる。

また、層状レンズまたは柱状レンズの面に対する傾斜に分布を持たせて指向性に分布を持たせたり、層状レンズまたは柱状レンズを面に対する傾斜が異なった複数の領域を配列した指向性光拡散層でスクリーンを形成することによって多方向の指向性を持った多方向性光拡散層を構成することもできる。

一方、等方性光拡散層として緻密な高分子泡から構成されるフィルム層を用いた。このような等方性光拡散層は高分子と高分子泡内部の空気との屈折率差を大きく取れるために高い光反射特性が得られる。また、高分子皮膜に白色顔料を混合することによってさらに反射率を向上させることができる。また、等方性光拡散層を構成する高分子泡の両面を、白色顔料を混合した高分子母剤からなる保護層で被覆した。このような構成により、等方性光拡散層の機械的強度を向上させるとともに、光反射率を向上させることができる。

以下に本発明によるスクリーンの実施を図面に基づいて説明する。本発明の指向性光拡散層と類似の機能を有したものとしては、方向性を持ったプリズムなど、表面に異方性を持った微細な凹凸構造を形成した透明シートが良く知られている。しかしながら、本発明では、特定方向の光を効率的に散乱透過し、それ以外の光を効率的に直線透過させるために、面内で所定の形状をした屈折率分布を有し、その屈折率分布が面の厚み方向に連通して光を厚み方向に導く微細構造が形成された指向性光拡散層を用いる。指向性光拡散層としては、層厚がおよそ１μｍ〜２ｍｍ程度のものを用いることができる。指向性光拡散層が１〜２０μｍ程度と薄い場合は、指向性光拡散層を透明基材の上に形成して用いると取り扱いが容易になる。また、指向性光拡散層が２０μｍ〜２ｍｍと厚い場合は機械的強度を保つのに十分な厚みであるために、透明基材を用いないで単独で用いてもその表面に様々な処理を施すことができる。

指向性光拡散層の屈折率分布としては、層の厚み方向に同じ屈折率を持った領域が表裏に連通して形成されており、面内では周囲とは屈折率が異なった微細領域が規則的または不規則に分布している。この微細領域は、局所的には高屈折率領域を低屈折率領域が取り囲んだ微細レンズ構造を形成している。この面内の微細領域の形状によって、指向性光拡散層の光学特性が異なっている。指向性光拡散層の具体的な平面構成を図７に示す。図７（ａ）は微細領域の形状として厚み方向に連通した層状の高屈折率領域１２と低屈折率領域１３が面内で交互に配列された構成を示している。このように、面内の微細領域が層状に形成された場合は、入射光における層の長手方向成分は通常の均質な透明シートに入射した光と同様の作用を受けるが、層の短手方向成分は特定の入射角の光は散乱透過し、それ以外の入射角の光は直線的に透過する（このような微細領域を層状レンズと称す）。すなわち、１方向性光拡散層としての特性を持っている。層状レンズで構成される指向性光拡散層を用いる場合は、層状レンズの長手方向を観測者から見て上下方向または左右方向に配列したものを用いるのが視認性を向上させるのに効果的である。

図７（ｂ）は面内の微細領域の形状として、略円形形状や多角形形状のものを用いた構成を示している。この略円形形状や多角形形状をした高屈折率領域１２はそれを取り巻く低屈折率領域１３よりも屈折率が高く形成されている。この指向性光拡散層に入射する光は入射方向に関わらず、特定の入射角の光は拡散して透過されるが、それ以外の光は通常の均質な透明シートと同様に直線的に透過される。すなわち、この指向性光拡散層は、面内２方向の光拡散特性を制御されている。このような指向性光拡散層を用いることによって、観察方向に係わらず広い角度範囲で一様な輝度特性を持ったプロジェクタ用スクリーンを実現することが可能となる。なお、面内の微細構造が、長円形や長方形などの異方性形状である場合は、上述した微細構造が層状の指向性光拡散層と微細構造が略円形や多角形の指向性光拡散層との中間の特性を持ったものとなる。すなわち、面内の微細構造の異方性が大きくなればなるほど層状の微細構造を持った指向性拡散層に近い特性を持つようになり、面内の微細構造の異方性が小さくなればなるほど略円形や多角形の微細構造を持った指向性光拡散層に近い特性を持つようになる。従って、プロジェクタ用スクリーンの特定方向に対する視角特性を調整する場合は、面内の微細構造の異方性を調整することによって行なうことができる。

以下に説明するスクリーンは、指向性光拡散層として略円形の微細構造を持った指向性光拡散層を用いた場合を主として例にとって説明する。図５に本発明のスクリーンの基本構成の断面を模式的に拡大して示したものである。図示するように、本発明のスクリーンは、指向性光拡散層９と等方性光拡散層２との間に光反射層３を備えている。指向性光拡散層９は微細な柱状構造が面内に所定の密度で形成され、柱状構造の軸領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く、厚さ方向に光を導く機能を有している。すなわち、この軸領域が高屈折率領域１２に、外周領域が低屈折率領域１３に相当する。この柱状構造は屈折率分布型棒状レンズと同等の機能を有している。以後、この柱状構造を柱状レンズと、柱状レンズの光軸方向を配向方向と称する。ここで、傾斜角（配向方向の層面の法線に対する傾き）は０〜７０度の任意の角度に調節して形成することができる。

指向性光拡散層は、屈折率がレンズの対称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柱状レンズ、または柱状領域の屈折率がそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも不連続的に高い２層構造になっているステップインデックス型柱状レンズ、が平面状に複数配列されたフィルム構造になっている。微細構造が層状をした指向性光拡散層においても同様のレンズ構造を形成することができる。この微細構造は屈折率分布型の１次元レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）と同様の作用を持った層状レンズとして作用する。

この指向性光拡散層は、例えば、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り製造できる。すなわち、光照射強度が部位によって異なることとなるため、それにより生じる光重合性化合物の光重合速度の違いを用いて、屈折率の分布状態を制御することができる。また、柱状レンズの配向方向は、液状反応層に照射する光の入射角を調節することによって制御することができる。また、柱状レンズの面内の形状はフォトマスクのパターン形状によって任意に設定できる。例えば、層状レンズを形成するときは、ストライプ状のパターンを形成したグラデーションマスクを用いれば良い。

さらに、所定の基板上に塗布された液状反応層に上述のように紫外線を照射して指向性拡散層を形成することができる。この場合、液状反応層を反応硬化させて形成した指向性光拡散層は基板上から剥離しないで用いることができる。一方、反応ステージまたは反応ロール上で液晶反応層を厚く塗布して硬化させ、膜厚およそ２０μｍ以上の指向性拡散層を形成した場合は、この指向性拡散層を反応ステージまたは反応ロールから剥離して用いることができる。

次に、指向性光拡散層中の光の振舞いについて説明する。微細構造が略円形以外の形状をした指向性拡散層の有する作用は、以下説明する微細構造が略円形をした指向性光拡散層の作用と本質的に同様であるために説明を省略する。

微細構造がステップインデックス型柱状レンズである指向性光拡散層の場合は、高屈折率領域１２に入射した光はスネルの法則に従って指向性光拡散層の入射面の法線側に向かって屈折する。高屈折率領域１２に入射した光は低屈折率領域１３との境界面に入射すると、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。このようにして、入射光は高屈折率領域１２と低屈折率領域１３との境界面で繰り返し反射して柱状構造内を導波していき、入射反対面側から出射される。

このとき、指向性光拡散層の厚みと高屈折率領域への光の入射角と入射位置によって柱状レンズからの光の出射位置と方向が定まる。例え入射角は同じでも入射位置が異なる場合は、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と入射位置に入るために、投影画像は表面である特定の散乱角範囲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１２と低屈折率領域１３との屈折率差または屈折率勾配と、指向性光拡散層の厚さおよび柱状レンズのレンズ径によって定まる。例えば、高屈折率領域１２と低屈折率領域１３と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傾向がある。また、高屈折率領域１２と低屈折率領域１３の屈折率差が大きいほど散乱角は大きくなる。さらに、指向性光拡散層の厚み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。この散乱入射角と直線透過角は、面内の微細領域の形状が、層状の場合や異方性形状の場合にも同様に存在する。

本発明のスクリーンには、柱状レンズのレンズ径が、２μｍ〜５００μｍ、レンズ高さ（指向性光拡散層の厚み）が１０μｍ〜２ｍｍの指向性光拡散層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、レンズ高さは２０μｍ〜３００μｍ程度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。レンズ高さとして１〜２０μｍの薄い構造を必要とする場合は、これを基板上に形成して指向性拡散層として用いる。

次に、入射角が直線透過角である場合を説明する。この場合、入射光は指向性光拡散層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する。従って、高屈折率領域１２への入射光がシート内部に進入して高屈折率領域１２と低屈折率領域１３との境界に達しても、境界への入射角が臨界角よりも小さくなるために、そこで全反射せずに低屈折率領域１３に透過する。これは通常の光導波路等におけるカットオフ角以上の光が入射する場合の特性と同様であるが、指向性光拡散層の場合は隣り合う各柱状レンズの低屈折率領域がシート内で連続的に繋がっているために、低屈折率領域と高屈折率領域との境界での光反射はほとんど生じない。その結果、入射光は通常の透明フィルムに入射した光と同様にほぼ直線的に透過する。

以上説明したように、本発明で用いた指向性光拡散層は優れた指向性を持つため、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。しかしながら、光が散乱反射されない方向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。このような特性を補完するために、指向性光拡散層の内部や指向性光拡散層の表面または裏面に光拡散粒子を混合または配して、反射光または透過光の拡散角を調節することができる。

次に、等方性光拡散層について説明する。図５において、等方性光拡散層２は、無数の中空高分子泡が凝集して形成されており、この高分子泡は被膜１５で気体１６を包んだ構造となっている。高分子泡は様々な径で分布しているが、その平均径は２０〜２００μｍの間で作製することが可能である。また、高分子泡は両面を第一保護層１４と第二保護層１６でサンドイッチされている。これらの保護層は反射率の高い酸化物粒子などのフィラーが高分子母剤に混合されて形成されている。そのため、これらの保護層は高い光反射率と機械的強度を持っており、高分子泡を機械的に保護すると同時に、等方性光拡散層の光反射率を向上させる作用を有している。等方性光拡散層の層厚は、２５〜４００μｍとすることができる。等方性光拡散層の層厚をこれ以上薄くすると、光反射率が急激に悪くなる上に光拡散特性も落ちてしまうため好ましくない。また、シートが薄くなると製造上の取り扱いが困難になってしまう。

この等方性光拡散層は光吸収がほとんどないために、薄くすると一部の光が透過して背面に配されている光反射層３で再び反射されて表面に出てくる。この等方性光拡散層の層厚を適切に調節することによって光反射層３による反射光の寄与が現れるために、光の拡散角の分布を調節して視角特性を最適化することができる。

この等方性光拡散層は、高分子基材に酸化物粒子などのフィラーを混合したものを伸延することで容易に得ることができる。このフィラーとして、ＢａＳＯ_４やＴｉＯ_２またはＭｇＯなどの反射率の高い材料の超微粒子フィラーを通常のフィラーと一緒に混合させることによって、中空高分子泡の被膜および保護層にＢａＳＯ_４やＴｉＯ_２またはＭｇＯなどを混合させることができ、さらに高反射率の光拡散シートとすることができる。

図８に指向性光拡散層の光透過特性を示す。図８において、横軸は指向性光拡散層への光の入射角、縦軸は各入射角に対する光透過強度を表している。図中で配向方向が０度における指向性光拡散層の特性を特性曲線２０に、配向方向がα度の場合における指向性光拡散層の特性を特性曲線２１に示している。特性曲線２０の場合は、角度±βで指向性光拡散層を透過する光の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、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。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にほとんど変化はなく、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８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。βの値は、指向性光拡散層の層厚、柱状レンズの口径、あるいは柱状レンズの屈折率差または屈折率分布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。

次に、スクリーンとプロジェクタとの位置関係について図６を用いて説明する。プロジェクタ５がスクリーン１００の下方に配置されている状態を図６（ａ）に、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いる状態を図６（ｂ）に、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状態を図６（ｃ）に示している。ここで、図６（ａ）〜（ｃ）に示す配置をそれぞれ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。本発明のスクリーンは、いずれの配置に対しても適用可能であり、指向性光拡散層側から画像を投影する場合に重要なことは指向性光拡散層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指向性光拡散層の散乱入射角の範囲にあるようにすることである。

また、本発明のスクリーンは、照明下でも高輝度な画像を得られる指向性光拡散層と視角が広く自然観のある画像が得られる等方性光拡散層とを共通の光反射層をサンドイッチして構成されているために、軽量で薄型化が可能であるフレキシブルな構造とすることができる。例えば、本発明のスクリーンは筒状筺体中に巻き取って保管したり、支持枠内に張って使用したりすることができるために取り扱いが容易である。

以下に本発明のスクリーンの具体例を詳細に説明する。
（具体例１）
図１は本発明のスクリーンを示す説明図である。スクリーンは指向性光拡散層１と等方性光拡散層２と光反射層３を備えている。このスクリーンは両面を用いて画像投影をすることができる。指向性光拡散層１は、上述した層状レンズまたは柱状レンズ機能を持った微細構造を持っている。また、等方性光拡散層３は上述した中空高分子泡を有している。そして、光反射層３は、指向性光拡散層１の裏面にＡｇ反射膜がおよそ２００ｎｍ蒸着で形成されている。そして、光反射層３と等方性光拡散層２とは透明な粘着剤で接合されている。指向性光拡散層１側には第一プロジェクタ５ａが配されており、指向性光拡散層１上に光画像を投影する。ここでは、指向性光拡散層１にある微細構造９はプロジェクタ５ａからの投影光束の光軸６ａの方向を略向いて配向している。そして、投影光の画角を構成する光７ａと７ｂの広がり角は指向性光拡散層１の散乱反射角の範囲内にある。この微細構造９は層状レンズ構造をしていても、柱状レンズ構造をしていても良い。図１の構成において、微細構造９が層状レンズ構造の場合は、紙面に垂直方向に伸びた層状レンズが上下に配列している状態にある。

第一プロジェクタ５ａからの光画像は、指向性光拡散層１に散乱入射角で入射して、光反射膜３で散乱入射後反射され、指向性光拡散層１を再び透過して第一視点１０ａに入り観察される。このとき第一視点１０ａに入る光の拡散角の範囲は散乱入射角とほぼ同じ角度範囲内であり、高い指向性を持った明るい画像を観察することができる。このとき、スクリーンの上部近傍にある照明からの光は、指向性光拡散層１の直線透過角の成分を多く含むために、そのほとんどが指向性光拡散層１を直線的に透過し、光反射層３で正反射されるため、第一視点１０ａには入らない。そのため、観察者は照明下でも照明光の影響が少ない高コントラストで高輝度の画像を見ることが可能となる。

一方、第二プロジェクタ５ｂからの光画像は、等方性光拡散層２と光反射層３で等方的に拡散されて第二視点で観察される。等方性光拡散層２はほぼ等方的な光拡散特性を持っているために、７ｂと８ｂで示される第二プロジェクタ５ｂからの投影光の広がり角の大きさや、投影光の光軸６ｂの向きに関係なく第二視点１０ｂから良好な画像を見ることができる。これから得られる画像は、等方的拡散反射を行なうためにきらつきのない自然な画像が得られる。なしかしながら、等方性光拡散層２は照明光などの外光も同時に反射して投影画像にバイアスとして乗るために画質を劣化させてしまう。従って、等方性光拡散層２側から画像投影を行なうためには、外光の影響の少ない暗い部屋で画像投影を行なうことが好ましい。

なお、光反射層３を形成する材料としては、Ａｇ以外にもＡｇとＰｄとの合金やＡｌなどの反射率の高い金属ならば何を用いても良い。また、金属以外にも、ＭｇＦ_２やＳｉＯ_２などの低屈折率誘電体とＴｉＯ_２やＺｒＯ_２などの高屈折率誘電体とを交互に積層して形成した誘電体多層膜ミラーを用いても良い。

図９に具体例１によるスクリーンの指向性光拡散層側の輝度特性と従来のレンチキュラスクリーンの輝度特性を比較したグラフを示す。まず、スクリーンの指向性光拡散層側に白色画像を正面から投影した場合に、輝度計をスクリーンの中央を中心とした円弧上を左右方向に移動させてスクリーン上の輝度を測定した。次に、同様の測定を白色校正板に対しても行った。そして、スクリーンに対して得られた測定結果と白色校正板に対して得られた測定結果との比をゲインとして計算した。図９に、本発明のスクリーンに対する測定結果２２と、比較用のレンチキュラスクリーンに対する測定結果２３を示している。この図から明らかなように、本発明のスクリーンの指向性光拡散層側は従来のレンチキュラスクリーンと同程度の指向性を持っているばかりでなく、視野角±４５度の範囲内で従来のレンチキュラスクリーンよりも高い輝度を持っていることが分かる。

図１０に具体例１によるスクリーンの等方性光拡散層側の輝度特性と従来のビーズスクリーンの輝度特性を比較したグラフを示す。測定方法は図９の場合と同様であるため説明を省略する。図１０に、本発明のスクリーンに対する測定結果２４と、比較用のビーズスクリーンに対する測定結果２５を示している。この結果から分かるように、本発明のスクリーンの等方性光拡散層側の輝度特性は従来のビーズスクリーンと比較して全ての視野角において高い輝度特性を持っていることが分かる。さらにまた、視野角±４５度以内では白色校正板を上回る輝度特性を持っていることも分かる。また、本発明のスクリーンの等方性光拡散層側に表示される画像は、従来のビーズスクリーンに表示される映像と比較して、きめの細かい自然な画像となることが確認できた。
（具体例２）
図２は本発明のスクリーンの具体例を示す説明図である。ここでは、図１と同様の作用を有する要素には同一の符号を付してその説明を省略した。図２が図１と異なっている点は、指向性光拡散層１を構成する微細領域９の配向方向が、図１の場合と比べて上下対称の方向に傾斜していることである。このような構成によって、第一プロジェクタ５ａからの投影光は指向性光拡散層１に直線透過角で入射することになる。従って、指向性光拡散層１の内部を投影光は拡散を受けずに直進して光反射層３で反射される。反射された投影光は指向性光拡散層１に再入射するときに散乱入射角で入射することになり、指向性光拡散層１の表面から出射するときに拡散を受けて第一視点１０ａに入る。

この具体例で示した構成では、具体例１の場合に比較して光拡散が小さいためにより鮮明な画像を得ることができるが、実質の視野角は指向性光拡散層１が持つ本来のものなので具体例１より狭い。また、本具体例では微細構造の方向が上を向いているために、スクリーン近傍の照明は下方から行なうのが好ましい。あるいはまた、プロジェクタの配置としてアッパーポジションとすることによって、通常環境下の照明配置において照明の影響を受けない高輝度な画像を得ることができる。また、等方性光拡散層２は、指向性光拡散層１の配向方向に拘わらず光拡散特性に変化はなかった。
（具体例３）
本発明に係わるスクリーンの他の具体例を図３に示す。ここで示す構成は、具体例２における指向性光拡散層１の表面に表面光拡散層４を接合したものである。ここでは、図２と同様の作用を有する要素には同一の符号を付してその説明を省略した。指向性光拡散層１は所定の入射角で内部を透過した光は拡散するが、表面は平滑であるために表面反射光による映り込みが生じ、画質を低下させてしまう。特に、第一プロジェクタ５ａからの投影光が正反射する位置においてはホットスポットと呼ばれる輝点が生じてしまう。本具体例では、これを回避するために指向性光拡散層１の表面に表面光拡散層４を接合した。表面拡散層４は、透明なフィルムのシボなどの表面に無秩序な微細凹凸構造を形成したものや、透明なフィルムの上に微細な拡散粒子を結合剤と共に塗布して表面に凹凸構造を構成したもので、表面からの反射光を散乱させるものである。この散乱の大きさはスクリーン表面における光照射強度や表面反射率にも依存するが、ヘイズ値で５〜５５％程度、望むらくはヘイズ値で１５〜４５％程度であるのが好ましい。

また、表面拡散層４のヘイズ値は表面の反射率にも依存し、透明フィルム上に湿式または乾式で表面に低屈折率誘電体膜または誘電体多層膜を形成して低反射コーティングや無反射コーティングを施したものの上に拡散粒子層を形成する場合や、表面に微細な拡散構造を形成した透明フィルムの上に湿式または乾式で表面に誘電体膜または誘電体多層膜を形成して低反射コーティングや無反射コーティングを施したものの場合はヘイズ値をさらに低くすることができる。

また、この表面拡散層４を構成する透明フィルムの厚みを４００μｍ以上と厚くする場合は、指向性光拡散層１の表面を外力や湿度や手垢などから保護する保護基材としての作用を付与することもできる。保護基材としての作用をスクリーンの両面に付与するためには、等方性光拡散層の表面にも表面拡散層４と同様の表面拡散層を接合しても良い。
（具体例４）
本具体例では、図１に示した構成で、指向性光拡散層１の表面に微細凹凸を作製することで表面拡散構造を形成した。この表面の微細凹凸構造の形成方法としては、裏面を保護シートで被覆した状態で指向性拡散層１をメチルアルコールに浸漬することによって行った。このような方法によって、指向性光拡散層１を構成する微細構造の高屈折率領域に対応する表面が低屈折率領域に対応する表面よりも早く溶出するため高屈折率領域表面が凹になった凹凸構造を形成できる。溶剤への浸漬時間を調整することによって凹凸の深さを変えることができる。指向性光拡散層１の表面に微細な凹凸を形成することによって、具体例３と同様に、ホットスポットなどの外光の映り込みを防止することができた。

なお、表面に凹凸構造を形成するために用いる溶剤としては、メチルアルコール以外にも、エチルアルコールやイソプロピルアルコールなどの低分子アルコールや、アセトンなどのケトン類など、指向性光拡散層を溶解するものを用いることができる。
（具体例５）
本具体例でも具体例４と同様に、指向性光拡散層１の表面に微細凹凸を作製することにより表面拡散構造を形成した。ここでは、指向性光拡散層１の表面に透明な球形ビーズを紫外線硬化型接着剤に混合して塗布した後、紫外線を照射して接着剤を硬化させることにより、この表面の微細凹凸構造を形成した。混合するビーズとして、粒径５μｍのアクリルビーズを用いた。ビーズの混合濃度を調節して表面拡散に対するヘイズ値が約５〜５５％となるようにした。

ここでは、粒径が１〜２０μｍの球形ビーズを用いることができる。また、球形ビーズの材質としては、アクリルビーズ以外にもスチレンビーズなどの透明高分子ビーズや、シリカビーズやチタニアビーズなどの無機酸化物ビーズを用いることができる。
（具体例６）
本発明に係わるスクリーンの他の具体例を図４に示す。ここで示す構成は、図１で示した構成と指向性光拡散層１の内部に光拡散粒子１１が混合されている点で異なっている。ここで用いた光拡散粒子は、平均粒径６０ｎｍ〜２０μｍの粒子であって、指向性光拡散層を構成する材料の屈折率と異なった屈折率を持っている。粒子形状として、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が容易である。

図１１に本具体例によるスクリーンの指向性光拡散層側の光拡散特性を測定した結果を示す。測定方法は図９の場合と同様であるため説明を省略する。図９の曲線２２と比較して、ピーク輝度は低下するものの視角の大きな領域で輝度が向上している。

また、光拡散粒子１１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。光拡散粒子は必ずしも透明である必要はなく、透光性粒子でも良い。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。

また、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１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結果を図１２に示す。ここで、チタニアビーズの混合密度が８００個の場合を特性曲線２６に、混合密度が１２００個の場合の特性を特性曲線２７に示した。図１２に示すように、混合密度によらずチタニア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、光拡散粒子が柱状レンズのレンズ径の１／５よりも大きな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が１／５程度以下の光拡散粒子を混合したものであった。

以上説明したように、本発明は指向性が高く高輝度な画像投影面と、視角が広く自然な画像が得られる画像投影面との両方を備えた軽量で取り扱いが容易なスクリーンを提供するものである。

本発明のスクリーンの構成例を示す説明図である。 本発明のスクリーンの構成例を示す説明図である。 本発明のスクリーンの構成例を示す説明図である。 本発明のスクリーンの構成例を示す説明図である。 本発明のスクリーンの断面構成を模式的に示す拡大図である。 スクリーンとプロジェクタとの配置を示す説明図である。 本発明に用いた指向性光拡散層の微細構造を示す模式的平面図である。 本発明に用いた指向性光拡散層の光学特性を示すグラフである。 本発明のスクリーンの指向性光拡散層側のゲイン特性を示す図表である。 本発明のスクリーンの等方性光拡散層側のゲイン特性を示す図表である。 本発明のスクリーンの指向性光拡散層側のゲイン特性を示す図表である。 指向性光拡散層中の光拡散粒子の密度と粒径に対するゲイン特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 指向性拡散層
２ 等方性光拡散層
３ 光反射層
４ 表面光拡散層
９ 微細構造
１２ 高屈折率層
１３ 低屈折率層
１４、１７ 保護層
１５ 被膜
１６ 気体

Claims (19)

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透過するとともに、それ以外の角度で入射した光を直線的に透過する指向性光散乱層と、
   入射角に係わらず光を略等方的に拡散する等方性光拡散層と、
   前記指向性光散乱層と前記等方性光拡散層の間に設けられた光反射層と、を備えることを特徴とするスクリーン。
2. 前記特定角度範囲が、スクリーン面内の部位に応じて異なることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
3. 前記指向性光拡散層が、厚み方向に連通する高屈折率領域と低屈折率領域が交互に配列された層状レンズシートであることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
4. 前記高屈折率領域と前記低屈折率領域が接することにより生じる界面の前記厚み方向への角度が、スクリーンの部位に応じて異なることを特徴とする請求項３に記載のスクリーン。
5. 前記指向性光拡散層が、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が面内に複数配列された、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートであることを特徴とする請求項１に記載のスクリーン。
6. 前記屈折率の高い領域の中心線と前記指向性光拡散層の表面に対する垂線とのなす角がスクリーンの部位に応じて異なることを特徴とする請求項５に記載のスクリーン。
7. 前記等方性光拡散層が、高分子材料中に複数の気泡を含んだ等方性光拡散シートである請求項１〜６に記載のスクリーン。
8. 前記等方性光拡散シートには前記高分子材料よりも反射率の高い微粒子が混合された請求項７に記載のスクリーン。
9. 前記微粒子が白色顔料からなるフィラーである請求項８に記載のスクリーン。
10. 前記等方性光拡散シートの少なくとも一方の表面に保護層が設けられた請求項７〜９のいずれか一項に記載のスクリーン。
11. 前記保護層が高分子母材中に反射フィラ−を含んだ構成である請求項１０に記載のスクリーン。
12. 前記指向性光拡散層の表面に表面光拡散層が形成された請求項１〜１１のいずれか一項に記載のスクリーン。
13. 前記表面光拡散層が前記指向性光拡散層の表面に形成された拡散構造であることを特徴とする請求項１２に記載のスクリーン。
14. 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を備える画像投影システムであって、
    前記スクリーンが、特定角度範囲で入射した光を散乱透過するとともに、それ以外の角度で入射した光を直線的に透過する指向性光散乱層と、入射角に係わらず光を略等方的に拡散する等方性光拡散層と、前記指向性光散乱層と前記等方性光拡散層の間に設けられた光反射層を有することを特徴とする画像投影システム。
15. 前記光画像投影器の投影光の画角が前記特定角度範囲に含まれることを特徴とする請求項１４に記載の画像投影システム。
16. 前記特定角度範囲の中心線が前記光画像投影器の投影光の中心に向いていることを特徴とする請求項１４に記載の画像投影システム。
17. 前記光画像投影器の投影光が前記特定角度範囲ではない角度で前記指向性光散乱層に入射することを特徴とする請求項１４に記載の画像投影システム。
18. 前記特定角度範囲の中心線と、前記光画像投影器の投影光束の中心線が、スクリーン表面に対する垂線に関して、略対称であることを特徴とする請求項１４に記載の画像投影システム。
19. 請求項２〜１３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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