JP2006301430A - Transmissive screen and projection type display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、プロジェクタなどの発光体から照射された光線を結像して表示する透過型スクリーン及び投写型表示装置に関するものである。 The present invention relates to a transmissive screen and a projection display device that form an image of a light beam emitted from a light emitter such as a projector and display it.
背面投写型プロジェクタなどに代表される透過型スクリーンは、光源から照射された光線を観測者側に曲げてコリメートするフレネルレンズスクリーンと、光線の配光特性を整えるレンチキュラースクリーンと、光線を拡散する拡散シートとから構成される。
したがって、光線の配光特性はレンチキュラースクリーンに依存しており、以下の特許文献1には、水平方向にレンズ作用を有するレンズシートが配列されているレンチキュラースクリーンが開示されている。
また、以下の特許文献2には、直交する二つのレンズシートが配列されているレンチキュラースクリーンが開示されている。
A transmissive screen typified by a rear-projection projector has a Fresnel lens screen that collimates the light emitted from the light source toward the viewer, a lenticular screen that adjusts the light distribution characteristics of the light, and a diffusion that diffuses the light. It consists of a sheet.
Therefore, the light distribution characteristic of the light beam depends on the lenticular screen, and the following
なお、透過型スクリーンに表示される映像を観測する観測者は、左右方向には大きく移動するが、鉛直方向には大きく移動しないことに由来して、一般的に、透過型スクリーンの配光特性は鉛直方向と左右方向で異なる。
即ち、透過型スクリーンのレンチキュラースクリーンは、一般に、水平(Horizontal)方向の配光を広げるレンチキュラーレンズ(例えば、シリンドリカルレンズ)を入光面に形成しているため、水平方向の視野角(配光特性の広がり)は優れているが、鉛直(Vertical)方向の配光はレンチキュラーレンズで広がらず、拡散シートの拡散のみで広がるため、輝度の半値片幅(輝度が半分になる中心からの角度)は、約10度しかなく、水平方向に比べて極端に視野角が狭くなる。
なお、拡散シートで鉛直視野角を拡げる場合、画像のぼけの原因となるので好ましくない。
The observer who observes the image displayed on the transmission screen generally moves in the horizontal direction but does not move in the vertical direction. Are different in the vertical and left-right directions.
That is, a lenticular screen of a transmissive screen generally has a horizontal viewing angle (light distribution characteristic) because a lenticular lens (for example, a cylindrical lens) that spreads light distribution in the horizontal direction is formed on the light incident surface. Although the vertical light distribution is not spread by the lenticular lens but spread only by diffusion of the diffusion sheet, the half width at half maximum (the angle from the center at which the brightness is halved) is Only about 10 degrees, and the viewing angle is extremely narrow compared to the horizontal direction.
Note that it is not preferable to widen the vertical viewing angle with the diffusion sheet because it causes blurring of the image.
従来の透過型スクリーンは以上のように構成されているので、鉛直方向の視野角が水平方向に比べて極端に狭くなり、観測者が鉛直方向に移動すると、映像を観測することができなくなる課題があった。 Conventional transmission screens are configured as described above, so the vertical viewing angle is extremely narrow compared to the horizontal direction, and if the observer moves in the vertical direction, the video cannot be observed. was there.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、鉛直方向の視野角を広げて、観測者が鉛直方向に移動しても映像を観測することができる透過型スクリーン及び投写型表示装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has a transmission screen and a projection type capable of observing an image even when an observer moves in the vertical direction by widening the viewing angle in the vertical direction. An object is to obtain a display device.
この発明に係る透過型スクリーンは、出光面にシリンドリカルレンズが鉛直方向に連接形成されているシリンドリカルレンズシートが発光体から照射された光線を広げて、拡散シートがシリンドリカルレンズシートの出光面から出射された光線を拡散するようにしたものである。 In the transmissive screen according to the present invention, a cylindrical lens sheet having a cylindrical lens connected in the vertical direction on the light exit surface spreads light rays emitted from the light emitter, and a diffusion sheet is emitted from the light exit surface of the cylindrical lens sheet. The light beam is diffused.
この発明によれば、出光面にシリンドリカルレンズが鉛直方向に連接形成されているシリンドリカルレンズシートが発光体から照射された光線を広げて、拡散シートがシリンドリカルレンズシートの出光面から出射された光線を拡散するように構成したので、鉛直方向の視野角が広がり、その結果、観測者が鉛直方向に多少移動しても映像を観測することができる効果がある。 According to the present invention, the cylindrical lens sheet in which the cylindrical lenses are connected in the vertical direction on the light exit surface spreads the light emitted from the light emitter, and the diffusion sheet reflects the light emitted from the light exit surface of the cylindrical lens sheet. Since it is configured to diffuse, the viewing angle in the vertical direction is widened. As a result, there is an effect that an image can be observed even if the observer moves slightly in the vertical direction.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による投写型表示装置を示す構成図であり、図2はこの発明の実施の形態1による透過型スクリーンの一部を示す斜視図である。
図において、発光体であるプロジェクタ1は投写光学系1a、ライトバルブ1b及び照明光学系1cから構成され、画像投影用の光線を透過型スクリーン2のフレネル光学素子3に照射する。
透過型スクリーン2はフレネル光学素子3、基盤4、レンズ要素であるシリンドリカルレンズシート5及び拡散シート6から構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a projection display apparatus according to
In the figure, a
The
フレネル光学素子3はプロジェクタ1から照射される光線を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズム3aが鋸歯状に複数配置された構造である。
基盤4は光線を透過させるシート状の樹脂薄板又はガラス薄板であり、フレネル光学素子3を保持している。
シリンドリカルレンズシート5は出光面にシリンドリカルレンズ5aが鉛直方向に連接形成され、基盤4を透過してきた光線を鉛直方向に広げる機能を有する。
拡散シート6はシリンドリカルレンズシート5の出光面から出射された光線を拡散する機能を有する。
The Fresnel
The
The
The
次に動作について説明する。
この実施の形態1では、鉛直方向の配光は、シリンドリカルレンズシート5と拡散シート6の配光特性によって決定される。
したがって、シリンドリカルレンズシート5におけるシリンドリカルレンズ5aのレンズ形状から求めた配光特性に、拡散シート6の配光特性を掛け合わせて、透過型スクリーン2としての総合的な配光特性を求める必要がある。
Next, the operation will be described.
In the first embodiment, the light distribution in the vertical direction is determined by the light distribution characteristics of the
Therefore, it is necessary to obtain a total light distribution characteristic as the
最初に、シリンドリカルレンズ5aのレンズ形状について説明する。
図3はシリンドリカルレンズシート5におけるシリンドリカルレンズ5aを示す模式図である。
ここでは、説明の簡単化のため、楕円の弧の一部を考える。シリンドリカルレンズ5aの長半径にz軸をとり、光線が進行する方向を正とする。
また、ここでは、鉛直方向に連接されたシリンドリカルレンズ5aを考えるため(断面が楕円のかまぼこ状のシリンドリカルレンズ5aがy軸方向に積層されている構造)、y軸は鉛直方向、xは水平方向となる。
図3の例では、鉛直方向にシリンドリカルレンズ5aが並んでいるが、並び方向は水平方向であってもよい。また、1次元のレンズでなく、マイクロレンズアレーの配列でも同様に考えることができることは言うまでもない。また、楕円のような二次の非球面、二次の放物面、双曲面、高次の非球面も同様に考えることができることは言うまでもない。
First, the lens shape of the
FIG. 3 is a schematic diagram showing the
Here, for simplification of explanation, a part of an elliptical arc is considered. The z axis is taken as the major radius of the
Further, here, in order to consider a
In the example of FIG. 3, the
楕円の弧は、長半径a、短半径b及び切り出す大きさ(レンズピッチ)pの3つの自由度で決まる関数である。
楕円の場合、円弧は下記の式(1)で表すことができる。
f(z,y;a,b,p)=(z/a)2+(y/b)2−1=0 (1)
−p/2≦y≦p/2
しかしながら、配光特性は、円弧の傾きのみに依存して、大きさには依存しないため、スケール変換(相似変形)に対して不変である。つまり、スケール変換の自由度が1であるため、配光特性の自由度は2となる。
具体的には、例えば、レンズピッチpで相似倍率pを指定することができるとともに、弧の形状a/p,b/pを指定することができる。
なお、レンズピッチpは、投写された画素の大きさより小さい方が見栄えが良く、例えば画素が1.0mmであれば、少なくともp<0.5mmであることが好ましい。
The arc of an ellipse is a function determined by three degrees of freedom: a long radius a, a short radius b, and a size (lens pitch) p to be cut out.
In the case of an ellipse, the arc can be expressed by the following formula (1).
f (z, y; a, b, p) = (z / a) 2 + (y / b) 2 −1 = 0 (1)
−p / 2 ≦ y ≦ p / 2
However, since the light distribution characteristic depends only on the inclination of the arc and not on the size, it does not change with respect to scale conversion (similar deformation). That is, since the degree of freedom of scale conversion is 1, the degree of freedom of light distribution characteristics is 2.
Specifically, for example, the similarity magnification p can be designated by the lens pitch p, and arc shapes a / p and b / p can be designated.
The lens pitch p is better when it is smaller than the projected pixel size. For example, if the pixel is 1.0 mm, it is preferable that at least p <0.5 mm.
例えば、シリンドリカルレンズ5aに平行光線が入射される場合において、シリンドリカルレンズ5aが平坦に近ければ、レンズの役割(光線を曲げる機能)が小さいため、光線があまり曲がることなく出射される。反対にレンズの曲率が大きければ、光線が大きく曲げられて出射される。
光線が大きく曲がることは、配光の角度分布が広いことを意味し、あまり曲がらないことは、配光の角度分布が狭く、正面で明るいことを意味する。
一般にプロジェクタ1のスクリーンは「明るくて、視野角の広い」ものが望まれるが、エネルギー保存の法則より、両者はトレードオフの関係にあり、この配分が難しい。
For example, when a parallel light beam is incident on the
When the light beam is bent greatly, it means that the angular distribution of light distribution is wide, and when it is not bent very much, it means that the angular distribution of light distribution is narrow and bright in the front.
In general, the
スクリーンの明るさは、スクリーンゲインで表されることが多く、これは「完全拡散面に投写した輝度と同等の条件の輝度の比」で定義される。一般に正面(法線方向)が一番明るいため、これを特にピークゲインということもある。
また、視野角は、一般にピークゲインの1/2(α)、1/3(β)、1/10(γ)になる角度で表される。
図11はある拡散シートのスクリーンゲインで、視野角αと視野角γの例を示す説明図である。
The screen brightness is often expressed by a screen gain, which is defined by “ratio of luminance under conditions equivalent to the luminance projected on the complete diffusion surface”. Generally, the front (normal direction) is the brightest, so this is sometimes called peak gain.
The viewing angle is generally expressed as an angle that is 1/2 (α), 1/3 (β), or 1/10 (γ) of the peak gain.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of the viewing angle α and the viewing angle γ with the screen gain of a certain diffusion sheet.
ここで、図4に示すように、長半径がa、短半径がbの楕円を、レンズピッチpで切り取った円弧の厚み(ピッチに垂直な方向)をdとするとき、図4のように、シリンドリカルレンズ5aの半径aを小さくすると(a1<a2)、シリンドリカルレンズ5aのレンズ面が平坦に近づくため、シリンドリカルレンズ5aのレンズ作用が小さくなり、正面に出る光が多くなる。このため、スクリーンゲインが大きくなることが予想される。
一方、図5のように、レンズピッチpを小さくすると(p1<p2)、シリンドリカルレンズ5aの平坦な部分を相対的に多く使うことになるため、スクリーンゲインが大きくなることが予想される。
したがって、スクリーンゲインの大きいレンズを得るには、長半径a及びレンズピッチpを短半径bに対して出来るだけ小さくすればよい。これは言い換えると、円弧の厚みdがレンズピッチpに対して出来るだけ小さくすることを意味する。
Here, as shown in FIG. 4, when an ellipse having a major radius of a and a minor radius of b is cut with a lens pitch p and the thickness of the arc (direction perpendicular to the pitch) is d, as shown in FIG. When the radius a of the
On the other hand, as shown in FIG. 5, when the lens pitch p is reduced (p 1 <p 2 ), the flat portion of the
Therefore, in order to obtain a lens having a large screen gain, the major radius a and the lens pitch p should be made as small as possible with respect to the minor radius b. In other words, this means that the thickness d of the arc is as small as possible with respect to the lens pitch p.
一般に、円弧fの微分から面の法線が求められる(図3を参照)。面の傾き、もしくは、法線の傾きをθとすると、法線の傾きθは下記のように表される。
θ=tan-1(∂yf/∂zf) (2)
ただし、∂yはyの偏微分、∂zはzの偏微分を意味する。レンズ面の最大の傾きθmaxは、図7に示すように、レンズピッチpの端の傾きである。
例えば、楕円の場合、レンズ面の最大の傾きθmaxは、下記の式(3)のように表される。
θmax(p/b,a/b)
=tan-1([(a/b)(p/2b)]/(1−(p/2b)2)1/2))
(3)
式(3)より、変数がp/bとa/bの二つの比でのみ表されることがわかる。レンズ面の傾きはθ、光線の傾きはφで表記している。
In general, the normal of the surface is obtained from the differentiation of the arc f (see FIG. 3). Assuming that the inclination of the surface or the inclination of the normal is θ, the inclination of the normal is expressed as follows.
θ = tan −1 (∂ y f / ∂ z f) (2)
However, ∂ y partial differential of y, ∂ z denotes the partial derivative of z. The maximum inclination θ max of the lens surface is the inclination of the end of the lens pitch p as shown in FIG.
For example, in the case of an ellipse, the maximum inclination θ max of the lens surface is expressed by the following equation (3).
θ max (p / b, a / b)
= Tan -1 ([(a / b) (p / 2b)] / (1- (p / 2b) 2 ) 1/2 ))
(3)
From equation (3), it can be seen that the variable is represented only by the ratio of p / b and a / b. The tilt of the lens surface is represented by θ, and the tilt of the light beam is represented by φ.
角度φinで入射された光線は、図6に示すように、シリンドリカルレンズ5aのレンズ面で、光の屈折現象により曲げられる。このときレンズ側の屈折率をnin、レンズ外の屈折率をnoutとする。ただし、屈折率は一定で、位置で変化しないものとする。
シリンドリカルレンズ5aにより屈折されて出射される光線(全反射条件を満足しない場合)は、屈折率nin、noutが一定であるとすると、傾きφoutは下記のように表される。
φout(θ;φin)
=sin-1((nin/nout)sin[θ−φin])−θ
(4)
なお、シリンドリカルレンズシート5の前段には、通常、フレネル光学素子3が配置されるので、入射角φinは、通常、概ね0度になる。
Light rays incident at an angle phi in, as shown in FIG. 6, the lens surface of the
For a light beam refracted and emitted by the
φ out (θ; φ in )
= Sin −1 ((n in / n out ) sin [θ−φ in ]) − θ
(4)
Note that the front of the
したがって、式(4)を逆に解くと、下記の式(5)のようになる。
θ(φout;φin)
=tan-1([nin/nout)sinφin+sinφout]
/[(nin/nout)cosφin−cosφout])
(5)
これは、傾きφoutとθの変換、つまり出射光線の傾きφoutとレンズの傾きθは入射角φinが同じである場合、一意に決まることを意味する。
Therefore, when equation (4) is solved in reverse, equation (5) below is obtained.
θ (φ out ; φ in )
= Tan −1 ([n in / n out ) sinφ in + sinφ out ]
/ [(N in / n out ) cos φ in −cos φ out ])
(5)
This is converted inclination phi out and theta, i.e. the inclination theta of inclination phi out and the lens of the emission light when the angle of incidence phi in are the same, it means that the determined uniquely.
上述したようにシリンドリカルレンズ5aが平坦に近ければ、レンズとしての役割(光を曲げる機能)が小さいため、光線があまり曲がることなく出射される。
反対にレンズの曲率が大きければ、光線が大きく曲げられて出射される。
この関係が一意に定まることから、出射光線の最大角φmaxは、レンズ面の最大の傾きθmaxの位置となる(図7を参照)。
ただし、全反射条件を満足するθ>θcの領域の場合、シリンドリカルレンズ5aの外に屈折して出射されることがないので、レンズとして作用しない例外がある。ただし、θc=sin-1(nout/nin)とする。つまり、出射光線の最大の傾きθmaxは、θmax<φcとなる。ただし、φc=π/2−θcとなる。
As described above, if the
On the other hand, if the curvature of the lens is large, the light beam is greatly bent and emitted.
Since this relationship is uniquely determined, the maximum angle φ max of the emitted light is the position of the maximum inclination θ max of the lens surface (see FIG. 7).
However, in the case of θ> θ c where the total reflection condition is satisfied, there is an exception that does not act as a lens because it is not refracted and emitted out of the
以上をまとめると、レンズ設計は、例えば、二次曲面(楕円)の場合、下記の2つを決定すれば、レンズ形状(相似変形のp倍を除く)が一意に決まることになる。
(1)スクリーンゲインの大小を支配するレンズピッチpに対する円弧の厚みd(つまりd/p)
(2)配光の最大の広がりを支配するレンズの最大の傾きθmax
上述したように、二次曲面(楕円)の場合、レンズピッチpで相似倍率、レンズ形状をa/p、b/pで指定してもよく、これらは1:1対応となる。したがって、レンズ形状の測定では、前者(d/p、θmax)、レンズ形状の設計では、後者(a/p、b/p)を指定しても、これらは一意に決まる。
In summary, for example, in the case of a quadratic curved surface (ellipse), if the following two are determined, the lens shape (excluding p times the similar deformation) is uniquely determined.
(1) Arc thickness d (ie, d / p) with respect to lens pitch p that governs the magnitude of screen gain
(2) The maximum inclination θ max of the lens governing the maximum spread of the light distribution
As described above, in the case of a quadratic curved surface (ellipse), the similar magnification and the lens shape may be designated by the lens pitch p by a / p and b / p, which correspond to 1: 1. Therefore, even if the former (d / p, θ max ) is specified for the lens shape measurement and the latter (a / p, b / p) is specified for the lens shape design, these are uniquely determined.
以上のようにして、シリンドリカルレンズ5aのレンズ形状を指定すると、スクリーンゲインを計算することができる。
図8、図9及び図10はレンズ単体によるスクリーンゲインの角度依存性を表しており、横軸はスクリーン法線からの角度、縦軸はスクリーンゲインである。
レンズパラメータは下記のとおりである。
u(d/p、θmax)=(0.117,26.8度)
v=(0.109,24.0)
w=(0.162,36.2)
x=(0.159,42.1)
n=(0.135,35.8)
l=(0.106,36.9)
m=(0.119,36.5)
図46は屈折率nin=1.550、屈折率nout=1.000、入射角φin=0.0のときの計算例である。
図46の計算例からも分かるように、d/pが小さければ、ピークゲイン(スクリーンゲインの最大値gmax)が大きく、θmaxが大きければ、配光特性の角度の広がりが大きくなる。
When the lens shape of the
8, 9, and 10 show the angle dependence of the screen gain by a single lens, the horizontal axis is the angle from the screen normal, and the vertical axis is the screen gain.
The lens parameters are as follows.
u (d / p, θ max ) = (0.117, 26.8 degrees)
v = (0.109, 24.0)
w = (0.162, 36.2)
x = (0.159, 42.1)
n = (0.135, 35.8)
l = (0.106, 36.9)
m = (0.119, 36.5)
FIG. 46 shows a calculation example when the refractive index n in = 1.550, the refractive index n out = 1.000, and the incident angle φ in = 0.0.
As can be seen from the calculation example of FIG. 46, if d / p is small, the peak gain (maximum value g max of screen gain) is large, and if θ max is large, the angular spread of the light distribution characteristic is large.
図8のu,vの計算例を見ると、配光特性の最大角がφmax<20度となり、角度範囲が狭く、ピークゲインが大きくなることが分かる(gmax>6)。
また、図9のw,xの計算例を見ると、反対に配光特性の最大角がφmax>20度となり、角度範囲が広くなるが、ピークゲインが小さくなることが分かる(gmax<6)。
図10のn,l,mは、詳細な検討を行った結果、例えば、配光特性の最大角φmax>20度で、大きなピークゲイン(gmax>6)を得ることに成功した場合の計算例である(成功条件は後述する)。この場合、明るくて視野角の広い配光特性を持つスクリーンを得ることができる。
From the calculation examples of u and v in FIG. 8, it can be seen that the maximum angle of the light distribution characteristic is φ max <20 degrees, the angle range is narrow, and the peak gain is large (g max > 6).
9 shows that the maximum angle of the light distribution characteristic is φ max > 20 degrees, and the angle range is widened, but the peak gain is small (g max < 6).
As a result of detailed studies, n, l, and m in FIG. 10 are obtained when, for example, the maximum angle φ max > 20 degrees of the light distribution characteristic is obtained and a large peak gain (g max > 6) is successfully obtained. This is a calculation example (success conditions will be described later). In this case, a bright screen having a wide viewing angle and a wide light distribution characteristic can be obtained.
上述したように、実際には、レンズ単体の配光特性だけでなく、拡散シート6の配光特性も掛け合わせたものを観測するので、拡散シート6の配光特性も考慮する必要がある。
図11はヘイズ値が85%、厚みが2mmの拡散シートの配光特性を示す説明図であり、横軸はスクリーン法線からの角度、縦軸はピークゲインで規格化(=1)されたスクリーンゲインである。
このようにヘイズ値が85%の拡散シート6は、αで約10度、γで約22度の広がりがある。図示していないが、ヘイズ値が80%の拡散シート6では、同様にαで約9度、γで約19度の広がりがある。これは、いずれもレンズ単体の配光特性と比べて無視できる量ではない。
As described above, in actuality, not only the light distribution characteristics of the lens itself but also the light distribution characteristics of the
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the light distribution characteristics of a diffusion sheet having a haze value of 85% and a thickness of 2 mm, where the horizontal axis is normalized by the angle from the screen normal, and the vertical axis is normalized by the peak gain (= 1). Screen gain.
Thus, the
図12、図13及び図14は、シリンドリカルレンズ5aと拡散シート6の双方の配光特性が考慮された総合的なスクリーンゲインを示している。
総合的なスクリーンゲインは、レンズ単体の配光特性(図8〜10)が、拡散シート6の配光特性(図11を参照)で、更に滑らかになまされる。つまり、総合的なスクリーンゲインは、レンズ単体の配光特性と拡散シート6の配光特性を掛け合わせたものと近似的に考えられる。以下、レンズ単体のスクリーンゲインをg、総合的なスクリーンゲインをg'と表記する。
12, 13 and 14 show the total screen gain in which the light distribution characteristics of both the
As for the overall screen gain, the light distribution characteristic of the single lens (FIGS. 8 to 10) is smoothed more smoothly by the light distribution characteristic of the diffusion sheet 6 (see FIG. 11). That is, the total screen gain can be approximated as the product of the light distribution characteristic of the lens alone and the light distribution characteristic of the
図12、図13及び図14における各々の曲線は計算値であり、+印は実際にシリンドリカルレンズ5aを試作して、ヘイズ値85%、厚み2mmの拡散シート6と組み合わせて測定した実測値を示している。
なお、屈折率は、設計値と同様に、レンズピッチ(レンズピッチはスケール変換に対して不変のため関係ない)を89ミクロンとしている。同じ角度で測定値が複数あるのは、測定におけるばらつきを示している。拡散シート6の配光特性は、裾が広い(90度まで)ので、総合のスクリーンゲインは、レンズ単体で見えたカットオフがなまされて、図では目立ち難くなる。
Each of the curves in FIGS. 12, 13 and 14 is a calculated value, and the + mark indicates an actual measurement value obtained by actually making a trial manufacture of the
Note that the refractive index has a lens pitch of 89 microns (the lens pitch is not affected by the scale conversion) as in the design value. Multiple measurement values at the same angle indicate variations in measurement. Since the light distribution characteristic of the
以上、レンズ単体の最大角がφmax<20度の例(u,v)では、総合のピークゲインが大きくなる(g’max>4)
レンズ単体の最大角がφmax>20度の例(x,w)では、総合のピークゲインが小さくなる(g’max<4)
図14のn,l,mは、詳細な検討を行った結果、レンズ単体の最大角φmax>20度である場合でも、大きなピークゲイン(g’max>4)を得ることに成功した場合の計算例である(成功条件は後述する)。
As described above, in the example (u, v) where the maximum angle of the single lens is φ max <20 degrees, the total peak gain becomes large (g ′ max > 4).
In the example (x, w) where the maximum angle of the single lens is φ max > 20 degrees, the total peak gain is small (g ′ max <4).
14, n, l, and m are the results of a detailed study, and even when the maximum angle φ max > 20 degrees of the single lens is successfully obtained, a large peak gain (g ′ max > 4) is successfully obtained. (Success conditions will be described later).
レンズ単体のゲインチャートにおいて、従来カットオフが大きいものはピークゲインが小さく、カットオフが小さいものはピークゲインが大きいものであったが、シリンドリカルレンズ5aのレンズ面形状を0.106<d/p<0.135、かつ、35.8度<θmax<36.9度の条件を満足することにより、カットオフが大きく、かつ、ピークゲインが大きくなるように作用させることができる。なお、上記の条件を満足しない場合、言うまでもないが、上記の作用を発揮しなくなるため、従来と同様の特性になる。
In the gain chart of a single lens, the conventional one with a large cut-off has a small peak gain and the one with a small cut-off has a large peak gain, but the lens surface shape of the
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、出光面にシリンドリカルレンズ5aが鉛直方向に連接形成されているシリンドリカルレンズシート5がプロジェクタ1から照射された光線を広げて、拡散シート6がシリンドリカルレンズシート5の出光面から出射された光線を拡散するように構成したので、鉛直方向の視野角が広がり、その結果、観測者が鉛直方向に多少移動しても映像を観測することができる効果を奏する。
As is apparent from the above, according to the first embodiment, the
また、この実施の形態1によれば、0.106<d/p<0.135、かつ、35.8度<θmax<36.9度の条件を満足する曲線で、そのシリンドリカルレンズ5aの形状が表されるように構成したので、明るくて、視野角の広い透視型スクリーンを得ることができる効果を奏する。
Further, according to the first embodiment, the
なお、この実施の形態1では、プロジェクタ1から照射された光線がフレネル光学素子3に入射されるものについて示したが、図15に示すように、プロジェクタ1から照射された光線が反射鏡7に反射し、その反射鏡7に反射された光線がフレネル光学素子3に入射されるようにしてもよい。
In the first embodiment, the light beam irradiated from the
実施の形態2.
上記実施の形態1では、シリンドリカルレンズ5aが凸レンズであるものについて示したが(図7を参照)、シリンドリカルレンズ5aは、図16に示すように、凹レンズであってもよく、配光特性は変わらない。これはレンズ面の傾きが円弧fの微分から求められるためである。つまり、レンズ面の傾きの積分が円弧であり、そこに積分定数の不定性があるため、凸、凹、フレネルレンズのように不連続でも配光は変わらない。
ただし、凸レンズの場合の焦点Sと、凹レンズの場合の焦点Sの位置は異なるが、レンズピッチpは投写された1画素より小さく、p<0.5mm程度であることから、スクリーンから1〜2m離れた観測者が見ると、焦点深度の違いは十分無視できるほど小さく、画像のぼけなどの不具合を発生することはない。
In the first embodiment, the
However, although the position of the focal point S in the case of the convex lens and the position of the focal point S in the case of the concave lens are different, the lens pitch p is smaller than the projected one pixel and is about p <0.5 mm. When viewed from a distant observer, the difference in depth of focus is small enough to be ignored and does not cause problems such as image blur.
入射角φinは、上述したように、φin=0である。
この場合、図17に示すように、シリンドリカルレンズ5aを分割して、フレネルレンズの形状にしても同等の配光特性を得ることができる。
φin≠0の場合でも、シリンドリカルレンズ5aの分割を入射角φinと並行に行えば同様に、フレネルレンズの形状にしても同等の配光特性を得ることができる。
また、分割したシリンドリカルレンズ5aを図18のように並び替えても、出射光線が、分割したレンズと干渉しなければ、配光特性は変わらない。
The incidence angle phi in, as described above, and φ in = 0.
In this case, as shown in FIG. 17, it is possible to obtain the same light distribution characteristic even if the
Even in the case of φ in ≠ 0, if the
Further, even if the divided
実施の形態3.
上記実施の形態1では、特に言及していないが、外光の影響を低減するために、反射を低減させる反射防止層を拡散シート6の出光面に形成するようにしてもよい。
また、見た目のぎらつきを押さえるためにアンチグレア層や、静電気による埃の付着を防止するために帯電防止層を拡散シート6の出光面に形成するようにしてもよい。
また、表面を保護するためにハードコート層を拡散シート6の出光面に形成するようにしてもよい。
Although not particularly mentioned in the first embodiment, an antireflection layer for reducing reflection may be formed on the light exit surface of the
Further, an anti-glare layer may be formed on the light exit surface of the
Further, a hard coat layer may be formed on the light exit surface of the
実施の形態4.
透過型スクリーン2は、図1及び図15に示すように、プロジェクタ1から照射された光線を観測者側に曲げるフレネル光学素子3のフレネルプリズム3aがコリメートして、その光線をシリンドリカルレンズシート5に入射するものである。
したがって、シリンドリカルレンズシート5に対する光線の入射角φinは概ね0度になる。
As shown in FIGS. 1 and 15, the
Therefore, the incidence angle phi in the light flux to
一般のフレネルレンズは、プリズム部が出光面(基盤4側の面)に構成されている屈折を利用したものであることが多い。
プロジェクタ1からフレネルレンズへの入射角が約40度を超えるような斜め投写の場合、上記のような出光面屈折型のフレネルレンズでは、光線をシリンドリカルレンズシート5に向けてコリメートすることができなくなる。
このような斜め投写の場合、入光面にフレネルプリズム3aが形成されているフレネル光学素子3を利用するようにする。
具体的には、下記の(1)〜(4)のフレネル光学素子3を利用するようにする。
A general Fresnel lens often uses a refraction in which a prism portion is formed on a light exit surface (surface on the
In the case of oblique projection in which the incident angle from the
In such oblique projection, the Fresnel
Specifically, the following Fresnel optical elements 3 (1) to (4) are used.
(1)プロジェクタ1から照射された光線を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズム3a(全反射プリズム)が鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子3(図19、図23を参照)
(2)プロジェクタ1から照射された光線を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズム3a(全反射プリズム)と、プロジェクタ1から照射された光線を屈折させる屈折面を有する屈折プリズム3bとが1つのピッチに形成されている混合型のフレネルプリズム(ハイブリッド型プリズム)が鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子3(図20、図24を参照)
(3)プロジェクタ1から照射された光線を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズム3aが鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子3において、手前のフレネルプリズム3a(図中、下側のフレネルプリズム3a)に遮断されて、プロジェクタ1から光線が直接照射されない非入射面が基盤4の面と略平行に形成されているフレネルプリズム3a(部分全反射プリズム)が複数配置されているフレネル光学素子3(図21、図25を参照)
(4)プロジェクタ1から照射された光線を屈折させる屈折面と、その屈折面で屈折された光線を反射させる反射面とを有するフレネルプリズム3aが鋸歯状に複数配置されているフレネル光学素子3において、屈折面と反射面がなすプリズム先端部分の一部が、プロジェクタ1から照射される光線と略並行に欠けているフレネルプリズム3a(部分全反射プリズム)が複数配置されているフレネル光学素子3(図22、図26を参照)
(1) A plurality of
(2) A
(3) In the Fresnel
(4) In the Fresnel
上記のフレネル光学素子3を利用する場合、従来の出光面屈折型のフレネルレンズと異なり、プリズム内部での全反射現象を利用して光の方向を変える。光の反射は、Snellの法則から入射角と出射角が等しくなる。
入射光線から見ると出射光線は、図27に示すように、面と入射光線のなす角δの2倍ほど曲げられる。
また、プリズム内部の屈折率が1より大きいため、プリズム内部の屈折率がnである場合には、プリズムの外(屈折率を1とする)から見ると、約2n倍ほど曲げられることになる。例えばプリズム内部の屈折率が1.5の場合、プリズムの外から見ると、約3倍曲げられることになる。
When the above-described Fresnel
When viewed from the incident light, the outgoing light is bent about twice the angle δ between the surface and the incident light, as shown in FIG.
Further, since the refractive index inside the prism is larger than 1, when the refractive index inside the prism is n, it is bent about 2n times when viewed from the outside of the prism (refractive index is 1). . For example, when the refractive index inside the prism is 1.5, it is bent about 3 times when viewed from the outside of the prism.
このように、全反射現象を利用したフレネル光学素子3は、大きく光線を曲げるため、プロジェクタ1からフレネル光学素子3への入射角が大きい場合でも、光線をシリンドリカルレンズシート5に向けて曲げることができるが、反面、全反射面の傾きが設計値より僅かにずれている場合、角度ずれも2n倍拡大されることになる。
例えば、図19におけるフレネルプリズム3aの反射面が設計値よりΔだけ傾いている場合、プロジェクタ1から照射される光線は、正規の方向より2Δだけずれた方向に曲げられ、プリズムの外から見ると、約2n1/n0Δだけずれて観測される(光線は図19の面DOでも屈折する)。ただし、n1はフレネルプリズム3aの内部の屈折率、n0はフレネルプリズム3aの外部の屈折率である。
なお、図20〜図22でも同様に説明することができる。
As described above, since the Fresnel
For example, when the reflecting surface of the
The same description can be made with reference to FIGS.
そこで、プロジェクタ1からフレネル光学素子3への入射角が約40度を超える大きな斜め投写の場合、同心円状に配置されるフレネル光学素子3の同心円の中心が画面の外に配置されるように構成する。
例えば、透過型スクリーンは、図23に示すように、横長の長方形であるので、横長のプリズム円弧が鉛直方向に並列にならぶことになる。
全反射現象を利用したフレネル光学素子3では、全反射プリズムであるフレネルプリズム3aによって光線がシリンドリカルレンズシート5に向けて曲げられる。角度ずれがない本来の場合、正規の方向に光線が曲げられるものが(実線の矢印を参照)、角度ずれがあると、ずれた方向に光線が曲げられる(点線の矢印を参照)。拡大される角度ずれは鉛直方向になる。
なお、図24〜図26でも同様に説明することができる。
Therefore, in the case of large oblique projection in which the incident angle from the
For example, as shown in FIG. 23, the transmissive screen is a horizontally long rectangle, so that horizontally long prism arcs are arranged in parallel in the vertical direction.
In the Fresnel
The same description can be made with reference to FIGS.
一方、視野角が広い特性(広い配光特性)を持つ場合、光線の角度ずれが配光特性でなされて、光線の角度ずれが目立ち難くなるという新たな別の効果がある。
図47はシリンドリカルレンズシート5による配光特性が狭い場合の例を模式的に示す説明図であり、図48はリンドリカルレンズシート5による配光特性が広い場合の例を模式的に示す説明図である。
配光特性が狭い場合、図47に示すように、正規の角度の光線と、ずれた角度の光線とに分離された光線は、狭い配光のために、十分に混ざり合わないため、分離して観測される。
一方、配光特性が広い場合、図48に示すように、正規の角度の光線と、ずれた角度の光線とに分離された光線は、広い配光のために、十分に混ざり合うため、分離して観測されることはなく、光線のずれは観測されなくなる。
On the other hand, when the viewing angle has a wide characteristic (wide light distribution characteristic), there is another new effect that the angle deviation of the light beam is made by the light distribution characteristic and the angle deviation of the light beam becomes inconspicuous.
FIG. 47 is an explanatory view schematically showing an example in the case where the light distribution characteristic by the
When the light distribution characteristic is narrow, as shown in FIG. 47, the light beam separated into the light beam with the normal angle and the light beam with the shifted angle is not sufficiently mixed due to the narrow light distribution. Observed.
On the other hand, when the light distribution characteristic is wide, as shown in FIG. 48, the light beams separated into the regular angle light beam and the shifted light beam are sufficiently mixed for wide light distribution. Will not be observed, and no deviation of light will be observed.
つまり、全反射現象を利用したフレネル光学素子3とシリンドリカルレンズシート5を組み合わせることにより、単純に配光特性を広げて見やすくするだけでなく、光線ずれ(輝度のムラ)を低減することができる効果を奏する。
なお、従来のように、入光面に屈折作用のあるプリズムが形成された入光面屈折型のフレネルレンズや、出光面にプリズムが形成された出光面屈折型のフレネルレンズでは、全反射現象を利用しないため、光が大きく曲がらず、設計値からのずれも拡大されないため、視野角が狭くても、角度ずれが検出されないため、問題になることはなかった。
In other words, by combining the Fresnel
In addition, in the conventional case, a light incident surface refracting type Fresnel lens in which a prism having a refracting action is formed on a light incident surface and a light emitting surface refractive type Fresnel lens in which a prism is formed on a light emitting surface are totally reflected. Since the light does not bend significantly and the deviation from the design value is not enlarged, the angle deviation is not detected even if the viewing angle is narrow, so that there is no problem.
実施の形態5.
全反射現象を利用したフレネル光学素子3を配置する透過型スクリーンは、上述したように、プロジェクタ1からフレネル光学素子3への入射角が約40度を超えるような斜め投写に適用されることが多い。
このような極端な斜め投写の場合、フレネル光学素子3を保持する基盤4の撓みや歪みによる光線に与える影響が、通常の出光面屈折型のフレネルレンズに比べて大きい。
例えば、プロジェクタ1からの入射角度がΦの場合、基盤4の厚みをtとすると、光線の高さ位置はt・tanΦで表される。
The transmissive screen on which the Fresnel
In such an extremely oblique projection, the influence on the light beam due to the bending or distortion of the
For example, when the incident angle from the
ただし、フレネル光学素子3におけるフレネルプリズム3aの通常ピッチが〜0.1mmの大きさであり、三角形状のフレネルプリズム3aの高さ(厚み方向)もほぼ同じ大きさとなる。
一方、基盤4の厚みは、約1.0〜5.0mm程度であり、フレネルプリズム3aより10倍以上厚い(図19〜図22では、基盤4の厚みtを圧縮して表記している)。
ここでは、hv<<tのため、フレネルプリズム3aの厚み(例えば、図21のhv)を無視しているが、実際にはフレネルプリズム3aの厚みと基盤4の厚みの和に比例することは言うまでもない。
なお、実際には、フレネル光学素子3と基盤4が一対になっていてもよい。例えば、フレネルプリズム3aの形状が刻み込まれた金型に基盤4を押しつけて、押し出し成形することにより、基盤4にフレネルプリズム3aの形状を写し取ったり、フィルム状のフレネルプリズム3aを基盤4に接着層(図示せず)で貼合してもよい。
However, the normal pitch of the
On the other hand, the thickness of the
Here, since h v << t, the thickness of the
In practice, the Fresnel
基盤4の撓みをΔtとして、その撓みΔtをフレネルプリズム3aの位置の平行移動と近似すると、(t+Δt)tanΦで表される。
Φ=45度で、tanΦ=1であるが、入射角度Φが45度を超えると、急激にtanΦが大きくなる。
例えば、Φ=70度で、tanΦ=2.74であり、撓みΔtに対して、高さ位置が約3倍もずれることを意味する。
以上の説明は簡単化のため、撓みを単純に基盤4が平行移動したと考えたが、実際には角度も変わり、これは当然、前述の角度ずれの発生原因になることは言うまでもない。
以上のことから、全反射現象を利用したフレネル光学素子3を配置する透過型スクリーンの場合、フレネル光学素子3を保持する基盤4として、平面度の高い(撓みの少ない)ガラス等を用いると、基盤4とシリンドリカルレンズシート5の双方の作用により、角度ずれの低減効果が得られる。
When the deflection of the
Φ = 45 degrees and tanΦ = 1. However, when the incident angle Φ exceeds 45 degrees, tanΦ suddenly increases.
For example, Φ = 70 degrees and tanΦ = 2.74, which means that the height position is shifted by about 3 times with respect to the deflection Δt.
For the sake of simplification, it has been considered that the
From the above, in the case of a transmissive screen in which the Fresnel
実施の形態6.
上記実施の形態1〜5では、シリンドリカルレンズシート5の出光面から出射された光線を拡散シート6が拡散するものについて示したが、図28に示すように、入光面にシリンドリカルレンズ8aが水平方向に連接形成され、シリンドリカルレンズシート5の出光面から出射された光線を広げるレンチキュラーシート8と、レンチキュラーシート8の出光面における非集光部(図中、黒色の領域)に配置され、そのレンチキュラーシート8の出光面から出射される光線以外の光線を吸収するストライプ状の光吸収部材9とが、シリンドリカルレンズシート5と拡散シート6の間に配置されるようにしてもよい。
ただし、シリンドリカルレンズシート5におけるシリンドリカルレンズ5aの形状に関する条件は、上記実施の形態1の場合と同様である。
即ち、シリンドリカルレンズ5aの形状が、0.106<d/p<0.135、かつ、35.8度<θmax<36.9度の条件を満足する曲線で表されるようにする。
In the first to fifth embodiments described above, the
However, the conditions regarding the shape of the
That is, the shape of the
また、シリンドリカルレンズ5aは、上述したように、凸レンズに限るものではなく、図29に示すように、凹レンズであってもよい。また、図30に示すように、フレネル形状のレンズであってもよい。
なお、図28〜図30の例では、フレネルプリズム3aが(2)のハイブリッド型プリズムであるものについて示したが、これに限るものではなく、フレネルプリズム3aが(1)の全反射プリズム(図31を参照)、(3)の部分全反射プリズム(図32を参照)、(4)の部分全反射プリズム(図33を参照)であってもよいことは言うまでもない。
Further, the
In the examples of FIGS. 28 to 30, the
実施の形態7.
上記実施の形態6では、シリンドリカルレンズシート5と拡散シート6の間に、レンチキュラーシート8と光吸収部材9が配置されているものについて示したが、図34に示すように、シリンドリカルレンズシート5の出光面から出射された光線の一部を全反射してから、その光線を出光させる台形状の単位レンズ10aが水平方向に連接形成されたレンチキュラーシート10と、レンチキュラーシート10における単位レンズ10aの谷部(図中、黒色の領域)に配置され、そのレンチキュラーシート10の単位レンズ10aから出射される光線以外の光線を吸収するストライプ状の光吸収部材11とが、シリンドリカルレンズシート5と拡散シート6の間に配置されるようにしてもよい。
ただし、シリンドリカルレンズシート5におけるシリンドリカルレンズ5aの形状に関する条件は、上記実施の形態1の場合と同様である。
即ち、シリンドリカルレンズ5aの形状が、0.106<d/p<0.135、かつ、35.8度<θmax<36.9度の条件を満足する曲線で表されるようにする。
Embodiment 7 FIG.
In the sixth embodiment, the case where the
However, the conditions regarding the shape of the
That is, the shape of the
また、シリンドリカルレンズ5aは、上述したように、凸レンズに限るものではなく、図35に示すように、凹レンズであってもよい。また、図36に示すように、フレネル形状のレンズであってもよい。
なお、図34〜図36の例では、フレネルプリズム3aが(2)のハイブリッド型プリズムであるものについて示したが、これに限るものではなく、フレネルプリズム3aが(1)の全反射プリズム(図37を参照)、(3)の部分全反射プリズム(図38を参照)、(4)の部分全反射プリズム(図39を参照)であってもよいことは言うまでもない。
Further, the
In the examples of FIGS. 34 to 36, the
実施の形態8.
上記実施の形態7では、シリンドリカルレンズシート5と拡散シート6の間に、レンチキュラーシート10及び光吸収部材11が配置されているものについて示したが、図40〜45に示すように、シリンドリカルレンズシート5とレンチキュラーシート10及び光吸収部材11の順番を入れ替えて、レンチキュラーシート10及び光吸収部材11をシリンドリカルレンズシート5の入射側に配置するようにしてもよい。
ただし、シリンドリカルレンズシート5におけるシリンドリカルレンズ5aの形状に関する条件は、上記実施の形態1の場合と同様である。
即ち、シリンドリカルレンズ5aの形状が、0.106<d/p<0.135、かつ、35.8度<θmax<36.9度の条件を満足する曲線で表されるようにする。
In the seventh embodiment, the
However, the conditions regarding the shape of the
That is, the shape of the
なお、上記実施の形態では、特に言及していないが、筐体、保持機構、空調、スピーカー、テレビ台、リモコン受光部、電気回路、幾何学補正回路、色補正回路などを、投写型表示装置の構成要素として付加してもよい。 Although not particularly mentioned in the above embodiment, a housing, a holding mechanism, an air conditioner, a speaker, a TV stand, a remote control light receiving unit, an electric circuit, a geometric correction circuit, a color correction circuit, and the like are provided as a projection display device. You may add as a component of.
1 プロジェクタ(発光体)、1a 投写光学系、1b ライトバルブ、1c 照明光学系、2 透過型スクリーン、3 フレネル光学素子、3a フレネルプリズム、4 基盤、5 シリンドリカルレンズシート、5a シリンドリカルレンズ、6 拡散シート、7 反射鏡、8 レンチキュラーシート、8a シリンドリカルレンズ、9 光吸収部材、10 レンチキュラーシート、10a 単位レンズ、11 光吸収部材。
DESCRIPTION OF
Claims (23)
A light-emitting body that irradiates light, a prism is formed on the light-incident surface, deflects the light emitted from the light-emitting body, and a part of the light emitted from the light-emitting surface of the Fresnel optical element. A lenticular sheet in which a trapezoidal unit lens that emits the light beam after being reflected is connected in the horizontal direction, and a valley of the unit lens in the lenticular sheet, and is emitted from the unit lens of the lenticular sheet A light-absorbing member that absorbs light other than light, a cylindrical lens connected to the light-emitting surface in the vertical direction, and spreads light emitted from the unit lens of the lenticular sheet; and a light-emitting surface of the cylindrical lens sheet A projection display device comprising: a diffusion sheet that diffuses light emitted from the projector.
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